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大型复杂物体组合测量方法研究

作　者: 林嘉睿
导　师: 叶声华; 邾继贵
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 大型复杂物体组合测量数值仿真测量控制场距离约束转站精度
分类号: V262
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着机械制造尺度增加，大尺度空间内复杂物体的形貌尺寸测量问题，已成为制约大型装备研制与技术进步的瓶颈。大型复杂物体测量面临着空间尺寸大、相对精度要求高、被测特征结构复杂等问题，目前还没有形成完善的测量理论和方法。现有的单站式测量方法，测量效率低，适应性差，无法满足大尺寸现场测量效率、精度统一及误差控制等方面所需要求。本文针对当前制造领域内以重大装备为代表的大型复杂物体精密测量问题，研究一种系统、创新的组合测量方法。论文提出了组合测量方法的研究思路，阐明了组合测量基本原理、主要问题和关键技术，给出了明确的研究体系框架。随后以其中的关键环节——“空间误差”为线索，分析研究了空间非均匀误差的分布与表达、全局精密测量控制场的构建、激光跟踪仪性能指标的现场评价以及坐标系转站精度等重要问题，并完成了实验验证工作。最后结合国家“大飞机”重大科技专项，首次在外场环境、无特殊辅助工装设施条件下实施了大型飞机全机尺寸数字化测量，将整机测量时间缩短至1~2天，并取得高质量的数模结果。论文主要研究内容和工作如下：1、总结了大型复杂物体测量的工程需求和研究现状，结合应用背景，分析单站测量模式的缺陷，提出一种以远距离全局控制结合近距离终端测量的组合测量方法，并以此开展理论和应用研究。2、从非正交坐标测量导致的非均匀性空间误差出发，分析了空间误差的分布规律和表达方式，利用多测量单元（观测量）交会测量原理，采用数学解析、蒙特卡洛仿真以及可视化误差椭圆（球）等数值仿真方法来对空间非均匀误差进行准确表达。3、全局测量控制场是决定整体测量精度和性能的关键，研究了利用冗余测距约束来构建精密坐标全局测量控制场的方法。通过跟踪仪多站位下的高精度测长值建立误差方程，结合测长方向位移矢量约束来解算并优化跟踪仪测角误差，以此评价跟踪仪现场测量性能，实验表明测量场精度在20m范围内优于0.1mm。4、分析了组合测量中坐标系变换的转站精度问题，转站精度分布涉及空间误差传递规律，是空间误差分析的基础。通过坐标变换误差传播理论结合转站参数最小二乘估计方法，推导出转站精度分布模型及精度影响因素，利用该模型可以估计空间任意被测点转站精度，并对公共点进行合理配置。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-22
  1.1 研究背景及问题描述  8-10
  1.2 大型复杂物体测量的需求及应用  10-13
  1.3 组合测量研究体系及内容  13-20
    1.3.1 全局测量与控制  15-17
    1.3.2 终端测量  17-18
    1.3.3 空间误差分析  18-20
  1.4 课题来源及研究内容  20-22
第二章空间误差的分布与表达  22-44
  2.1 多测量单元交会原理  22-24
  2.2 数学解析仿真分析  24-30
    2.2.1 角度测量系统  25-28
    2.2.2 球坐标测量系统  28-30
  2.3 数理统计仿真分析  30-36
    2.3.1 多角度交会测量  32-34
    2.3.2 长度-角度交会测量  34-36
  2.4 误差椭圆（球）可视化表达  36-44
    2.4.1 点位误差构造法  36-42
    2.4.2 主成分分析拟合法  42-44
第三章全局精密坐标测量控制场的构建  44-61
  3.1 激光跟踪仪静态测量误差特性  44-47
  3.2 精密坐标测量控制场的构建方法  47-53
    3.2.1 激光跟踪仪多站位方位定向  47-49
    3.2.2 冗余测长误差方程  49-51
    3.2.3 位移矢量约束的建立  51-53
  3.3 激光跟踪仪测角误差的现场评价  53-56
  3.4 测角误差优化改正验证实验  56-61
    3.4.1 干涉测长距离比对  56-58
    3.4.2 垂直角方向固定误差比对  58-61
第四章坐标系转站精度分析  61-80
  4.1 转站参数解算方法  61-66
    4.1.1 转站误差评价方式  61-63
    4.1.2 转站算法比较  63-66
  4.2 转站精度分布模型  66-73
    4.2.1 三维转站精度模型  66-70
    4.2.2 二维转站精度模型  70-73
  4.3 转站精度分布实验  73-80
第五章大型飞机全机尺寸数字化测量  80-94
  5.1 测量方法概述  80-82
  5.2 全局测量控制  82-88
  5.3 终端测量  88-94
    5.3.1 测量特点及要求  88-91
    5.3.2 测量方案  91-94
第六章总结与展望  94-97
  6.1 论文工作总结  94-95
  6.2 论文创新点  95
  6.3 工作展望  95-97
参考文献  97-104
发表论文和参加科研情况说明  104-105
致谢  105

大型复杂物体组合测量方法研究

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