经纬仪全站仪工业测量系统精度分析.doc
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1、信息工程大学毕业设计(论文)任务书(地方学生)课题名称 经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析 学 生 姓 名 所在院、系(队) 专 业 学 号 申请学位级别 指导教师单位 指导教师姓名 技 术 职 务 二一 年 五 月课题名称经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析其他指导老师姓名、单位课题主要任务与要求:工业测量系统是指利用精密工程测量的仪器和方法并结合计量仪器,构成精密三维坐标测量与分析系统,对工业部件的几何尺寸进行精密安装,定位,检测和变形测量。工业测量系统以空间交会为基础,借助于任选基线端点上的两台经纬仪同一个未知点的交会而产生三维坐标,计算技术和电子技术的进步为这种系统应用三角测量,后方交会
2、,前方交会等传统的原理提供了新的动力,并使得各部件都能与主机连接,允许实时采集,显示,处理和评价三维坐标的数据,而且使短程上的精度达到百万分之一以上。在理论方法发展方面,重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。备 注系(或教研室)审批意见:签(章) 年 月 日学院训练部审批意见:签(章) 年 月 日信息工程大学毕业设计(论文)报告(地方学生)课题名称 经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析 学 生 姓 名 所在院、系(队) 专 业 学 号 申请学位级别 指导教师单位 指导教师姓名 技 术 职 务 二一 年 五 月指导教师评语:签(章) 年 月 日答辩小组意见: 负责人
3、签(章) 年 月 日学院答辩委员会意见: 负责人签(章) 年 月 日学院训练部审核意见: 盖 章 年 月 日经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析摘 要工业测量系统是指利用精密工程测量的仪器和方法并结合计量仪器,构成精密三维坐标测量与分析系统,对工业部件的几何尺寸进行精密安装,定位,检测和变形测量。随着电子技术的发展,测量学从光学手段进入了电子时代,随后,又是电子经纬仪和全站型电子测速仪生产相对稳定和探索的时候,八十年代是电子经纬仪高速发展的时期,也是工业测量系统不断成熟的时期,这便为工业检验与装配的高精度,自动化提供了切实有效的手段。工业测量系统以空间交会为基础,借助于任选基线端点上的两台经纬仪
4、同一个未知点的交会而产生三维坐标,计算技术和电子技术的进步为这种系统应用三角测量,后方交会,前方交会等传统的原理提供了新的动力,并使得各部件都能与主机连接,允许实时采集,显示,处理和评价三维坐标的数据,而且使短程上的精度达到百万分之一以上。本文指出了该学科的地位和研究应用领域;阐述了工业测量学领域通用和专用仪器的发展;在理论方法发展方面,重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况。关键词:工业测量系统,电子经纬仪,全站仪,精度分析 AbstractIndustrial measurement systems is t
5、he use of precision measuring instruments and methods of construction and the combination of measuring instruments, constitute the precise three-dimensional coordinate measurement and analysis system, the geometric dimensions of industrial components for precision installation, location, detection a
6、nd deformation measurement. With the development of electronic technology, surveying instruments from the optical into the electronic age, then it is the electronic theodolite and total station electronic gun is relatively stable production and exploration of time, 80 years is the period of rapid de
7、velopment of electronic theodolite, of industrial measurement systems maturing period, which will be for industrial inspection and assembly of high precision, automation provides a practical and effective means. Industrial measurement system based on space rendezvous, by means of two optional on the
8、 baseline endpoints theodolite intersection point with an unknown three-dimensional coordinates generated, computing and electronic technology, for the application of such a system of triangulation, resection, anterior traditional principles of Fair provided a new impetus, and makes all the parts co
9、nnected with the host, allowing real-time acquisition, display, processing and evaluation of three-dimensional coordinates of the data, but also on the accuracy of short-millionth of the above. This article points out the status of the subject and research applications; described the field of indust
10、rial Celiang Xue Tong Yong and special instrument; in theoretical method development, stress right adjustment theory, engineering design of network optimization, Bianxing observed data processing methods are summarized and summarized. Briefly describes the measurement of large-scale Precision Engine
11、ering developments at home and abroad. Key words: industrial measuring systems, electronic theodolite, total station, precision analysis 目 录摘 要I目 录III第一章 绪论11.1工业测量系统的简介11.2 工业测量系统的特点11.3 工业测量系统的发展历程1第二章 经纬仪工业测量系统32.1系统的配置32.2 经纬仪的分类32.3 经纬仪的原理42.4 空间前方交会42.4.1坐标系的定义52.4.2系统定向5第三章 全站仪工业测量系统73.1 系统的配
12、置73.2 全站仪的分类83.3 全站仪的测角原理9第四章 相关仪器设备的发展144.1 激光跟踪仪144.2 激光扫描仪164.3 三坐标测量机17第五章 近景摄影测量205.1近景摄影测量205.2 近景摄影测量的特点205.3近景摄影测量的发展方向20第六章 总结与展望22参考文献23致谢2424第一章 绪论1.1工业测量系统的简介在现代工业生产中,为了保证产品质量,都需要进行必要的有关测试。包括对零部件的质量检验、装配架的控制以及整机安装后的总体测试,以检验各项指标是否达到设计的要求。以往都是通过用三维坐标测量机、气动测量法、激光干涉仪,全息术等进行质量检验。这些方法的缺点是测量范围有
13、限。而且只能在室内进行测试,无法顾及装配后的变形及环境影响的真实情况。而对产品的装配,主要是用光学经纬仪、水准仪、测距仪和钢卷尺等按设计图纸的要求进行放样、指挥安装。其速度和精度都受到了较大的限制。至于整机装配后总体外形的检测通常是用近景摄影测量的方法进行,缺乏实时性。经纬仪工业测量系统也叫遥测系统,电子坐标测算系统,是指用于工业产品的质量检验及装配的经纬仪交会系统。它利用电子经纬仪空间前方交会原理,通过连接到计算机或电子数据记录器实时的获取被测物上各点的空间坐标,然后经过数据处理求得被测物体的有关参数,完成工业产品的质量检验以及指导装配工作。1.2 工业测量系统的特点 (1) 实时性。由于数
14、据采集和处理的设备都是高技术的电子产品,数据传输都实现了自动化,且采集和处理的速度极快。这样可以实时的获得现场结果,对于真实的反映被测物的现状和控制装配有显著的意义。(2) 非接触性。是指测量过程中对被测物的“无损性”,即避免了接触而引起的物体变形、干扰、工作中断等不良影响,并允许对难以接近的目标进行测量。(3) 机动性。它不受固定观测站的制约,而且可对任何形状的物体进行测量,另外,也可以在仪器无法整平的情况下对被测物体进行测量。这表明用工业测量系统进行测量是有较优越的解算能力,所以有时也称之为“三维测量与解算系统”。1.3 工业测量系统的发展历程七十年代是电子经纬仪和全站型电子速测仪生产相对
15、稳定和探索的时候。典型产品为1977年美国Hewlett Parckard生产的HP3820A。1979年该公司用一台计算机将两台电子经纬仪连接起来,第一次组成了“实时三角测量系统”,这就是工业测量系统的雏形。八十年代是电子经纬仪高速发展的时期,也是工业测量系统不断成熟的时期。1982年瑞典Geotronics AB生产的全站仪Geodimeter 140和1983年瑞士Wild厂生产的T2000电子经纬仪,都采用了对径扫描的动态测角原理,消除了角度测量中的偏心差和分划误差的影响,同时轴系补偿技术的不断完善,使电子测角获得了很高的精度(0.5)。这也给工业测量系统真正在工业方面的应用提供了有力
16、的手段。另外,整个测量过程都有完善的软件来支持,大大地减轻了计算的工作量。八十年代末期,瑞士的Kern和Wild生产的伺服电子经纬仪E2-SE和TM3000是工业测量系统的全自动化成为可能。由此构成的工业测量系统,如Kern SPACE和Wild ATMS,既解决了人工照准目标的误差,又提高了观测速度。另外,工测量系统的软件不断完善,可以自动检测粗差,实时控制测量并计算被测点的坐标、拟合计算被测物的有关参数的任何几何元素,以及其它辅助功能软件包。这给工业测量系统的广泛应用提供了有利的条件。目前,工业测量系统已广泛地应用于制造业、工程建筑业等领域。如飞机、轮船、汽车制造中的质量检验和安装都用工业
17、测量系统来完成。我们坚信,工业测量系统作为工业产品质量保证的有效途径之一,将会在我国各行业得到广泛应用。第二章 经纬仪工业测量系统2.1系统的配置经纬仪(如下图2-1)是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器,可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。它由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时,将经纬仪安置在三脚架上,用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上,用水准器将仪器定平,用望远镜瞄准测量目标,用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。图2-1 dt-200系列电子经纬仪2.2 经纬仪的分类经纬仪根据度盘刻度和读数方式的不同,分为游标经纬仪,光学经纬仪和电子经纬仪。目
18、前我国主要使用电子经纬仪(如下图2-2)和光学经纬仪(如下图2-3),游标经纬仪早已淘汰。 图2-2 电子经纬仪 图2-3 光学经纬仪光学经纬的水平度盘和竖直度盘用玻璃制成,在度盘平面的周诶边缘刻有等间隔的分划线,两相邻分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值,又称度盘的最小分格值。一般以格值的大小确定精度,分为:DJ6 度盘格值为1 DJ2 度盘格值为20 DJ1 (T3)度盘格值为4 按精度从高精度到低精度分:DJ07,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等(D,J分别为大地和经纬仪的首字母)经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器,可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。整套仪器由仪器
19、、脚架部两部分组成。应用举列(已知A、B两点的坐标,求取C点坐标):是在已知坐标的A、B两点中一点架设仪器(以仪器架设在A点为列),完成安置对中的基础操作以后对准另一个已知点(B点),然后根据自己的需要配置一个读数1并记录,然后照准C点(未知点)再次读取读数2。读数2与读书1的差值既为角BAC的角度值,再精确量取AC、BC的距离,就可以用数学方法计算出C点的精确坐标。2.3 经纬仪的原理 经纬仪是望远镜的机械部分,使望远镜能指向不同方向。经纬仪具有两条互相垂直的转轴,以调校望远镜的方位角及水平高度。此类架台结构简单,成本较低,主要配合地面望远镜(大地测量、观鸟等用途)使用,若用来观察天体,由于
20、天体的日周运动方向通常不与地平线垂直或平行,因此需要同时转动两轴并随时间变换转速才能追踪天体,不过视场中其它天体会相对于目标天体旋转,除非加上抵消视场旋转的机构,否则不适合用於长时间曝光的天文摄影。但由于电子科技的发展,上述问题已获得解决,而且经纬仪使望远镜指向不同方向时的空间姿态改变最小,因此不少专业天文台的大口径望远镜均使用经纬仪,以减轻由机械变形所引起的精度下降。甚至一些天文爱好者自制的专门用于低倍率目视观测的天文望远镜。2.4 空间前方交会类似于测量学中的前方交会原理(如下图2-4),在两个已知点A和B上架设仪器,来观测未知点N上的目标,在两个测站上分别得到水平角和垂直角的观测值,再由
21、基线长b来求得未知点N的三维坐标。图2-4 前方交会原理图2-5 坐标系示意图2.4.1坐标系的定义在工业测量系统中一般只关心被测物体内部各部件的相对位置关系,不要求与外部基准之间的坐标关系或方位相连,因此常采用局部坐标系。如(图2-5)所示,一般定义为:A经纬仪的中心为坐标系原点,A与B的连线在水平面上的投影为X轴,过A的铅垂线方向为Z轴,以右手坐标系法则确定Y轴,形成局部坐标系A-XYZ。因此,在该局部坐标系中,A经纬仪的坐标为(0,0,0), B经纬仪的坐标为(b,0,h),b为A、B两经纬仪中心间的水平距离,h为两经纬仪中心的高度差。 2.4.2系统定向图 2-6 系统定向要完成上述坐
22、标系的建立,是通过系统定向(如右图 2-6)来完成的。系统定向分为相对定向和绝对定向。相对定向即是通过两台经纬仪相互瞄准对方的仪器中心,以确定两经纬仪间的相对方位。由于仪器中心是不可见的,在实际测量中,可通过互瞄经纬仪中安装的内觇标后外觇标来完成。绝对定向是为了获取两经纬仪中心之间准确的水平距离。同样由于仪器中心不可见,因此通过两台经纬仪分别测量一根高精度的基准尺L(基准尺长度已知)来反算两仪器中心间的水平距离b,在依据两仪器互瞄时的垂直角计算出高差h。因此通过相对定向和绝对定向,可获得两台仪器的中心在所定义的局部坐标系中的空间三维坐标。第三章 全站仪工业测量系统3.1 系统的配置 全站仪(如
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