GTS激光跟蹤儀USMN聯(lián)合組網(wǎng)應(yīng)用——精確到微米的大空間尺度測(cè)量

1.背景：突破單站式測(cè)量精度的局限

當(dāng)前，對(duì)于激光跟蹤儀的大尺寸測(cè)量應(yīng)用，普遍采用單臺(tái)作業(yè)或多站位轉(zhuǎn)站測(cè)量的模式。然而，單站式激光跟蹤儀的空間測(cè)量精度為15μm+6μm/m，隨著測(cè)量范圍越大，其測(cè)量不確定度越大，跟蹤儀的測(cè)角精度對(duì)空間測(cè)量精度的影響較大。例如測(cè)量半徑10m,空間測(cè)量精度為75um，對(duì)某些高精度、大范圍應(yīng)用場(chǎng)景是不夠的。在此背景下，行業(yè)需要引入更為先進(jìn)的技術(shù)手段，以突破現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度和效率的提升。

圖1：?jiǎn)握緶y(cè)量(左)與USMN組站測(cè)量（右）

2.解決方案：激光跟蹤儀USMN組網(wǎng)

如何在大范圍空間測(cè)量中，突破單站激光跟蹤儀精度限制，實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量呢？為了解決這一問(wèn)題，中圖儀器推出的激光跟蹤儀測(cè)量分析軟件SpatialMaster（SMT軟件）集成了USMN功能。USMN 技術(shù)是一種由多測(cè)量設(shè)備構(gòu)建的空間坐標(biāo)測(cè)量網(wǎng)，它通過(guò)足夠數(shù)量的固定參考點(diǎn)將多個(gè)測(cè)量設(shè)備聯(lián)系起來(lái)并統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系下。USMN采用優(yōu)化數(shù)值計(jì)算技術(shù)，利用多測(cè)站權(quán)重分配優(yōu)化平差，可以顯著減小角度測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，充分利用激光跟蹤儀測(cè)距精度高的特點(diǎn)。

在USMN 測(cè)量中，固定目標(biāo)點(diǎn)的賦值是由該點(diǎn)的所有測(cè)站所決定，每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的不確定度會(huì)根據(jù)參與測(cè)量的各測(cè)站的不確定度得到均化，不確定度的傳播遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)站測(cè)量，見(jiàn)圖2。

圖2：?jiǎn)卧O(shè)備轉(zhuǎn)站與USMN 測(cè)量

在SMT軟件的USMN計(jì)算界面（如圖3），默認(rèn)設(shè)置儀器1為主儀器進(jìn)行計(jì)算，可以手動(dòng)切換為其它儀器，并且儀器屬性設(shè)置可以根據(jù)不同儀器的精度情況，進(jìn)行權(quán)重和自由度設(shè)置，從而最大限度的利用數(shù)據(jù)，確保整體測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，有效解決因單站位測(cè)量距離過(guò)遠(yuǎn)而導(dǎo)致的精度下降問(wèn)題。

圖3：USMN 界面儀器權(quán)重設(shè)置

同時(shí)可以利用USMN 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能（圖4）幫助測(cè)量分析者判斷結(jié)果的可靠性，在多站位擬合時(shí)，也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)某一站位的測(cè)量點(diǎn)中粗大誤差，及時(shí)剔除防止干擾后續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖4：USMN 數(shù)據(jù)處理示意圖

3.案例分享：精確到微米的測(cè)量

下面以使用GTS系列激光跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)桿驗(yàn)證測(cè)量精度為例，簡(jiǎn)述使用中圖激光跟蹤儀進(jìn)行USMN組網(wǎng)測(cè)量的流程及測(cè)量效果。

3.1測(cè)量簡(jiǎn)介：

測(cè)量需求：在長(zhǎng)10米寬5米的空間范圍內(nèi)，搭建四臺(tái)跟蹤儀USMN測(cè)量網(wǎng)，該范圍內(nèi)的測(cè)量精度需要控制在10μm以內(nèi)。

測(cè)量流程：設(shè)備選型與布局→布置定位點(diǎn)并測(cè)量→USMN組網(wǎng)→測(cè)量驗(yàn)證。

3.2設(shè)備選型與布局：

根據(jù)測(cè)量空間的特點(diǎn)，選擇4臺(tái)GTS3300型號(hào)激光跟蹤儀，采用分布四角高度不同的布局，確保每個(gè)站位跟蹤儀將合理范圍內(nèi)且視線無(wú)干涉的點(diǎn)位全部采集，后考慮誤差分析再進(jìn)行權(quán)重取舍。在長(zhǎng)15米寬7米的測(cè)量空間范圍內(nèi)，布置20個(gè)定位點(diǎn)。跟蹤儀和定位點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5：設(shè)備與定位點(diǎn)布局

3.3定位點(diǎn)測(cè)量：

跟蹤儀通過(guò)路由器連接在同一網(wǎng)絡(luò)，四臺(tái)GTS激光跟蹤儀依次測(cè)量20個(gè)定位點(diǎn)，見(jiàn)圖6。USMN通過(guò)點(diǎn)的名稱來(lái)匹配，不同儀器測(cè)量同一個(gè)定位點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)名稱要一致。

圖6：定位點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

3.4 USMN解算：

通過(guò)SMT軟件進(jìn)行解算分析，選擇4臺(tái)儀器的定位點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)使用USMN配準(zhǔn)，解算結(jié)果顯示RMS=0.057mm，最大偏差0.097mm為P13定位點(diǎn)（圖7）。

圖7：USMN解算

點(diǎn)擊應(yīng)用，生成USMN解算點(diǎn)組并將4臺(tái)設(shè)備定位（圖8）。

圖8：儀器定位

3.5 1m標(biāo)準(zhǔn)桿測(cè)量：

標(biāo)準(zhǔn)桿用高精度三坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量作為標(biāo)準(zhǔn)值，長(zhǎng)度為1004.7704mm。

（1）將1m標(biāo)準(zhǔn)桿，橫、豎、斜向不同姿態(tài)擺放，分別在測(cè)量空間范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，共計(jì)20個(gè)位置，每個(gè)位置重復(fù)3次，擺放位置見(jiàn)圖9。

圖9：1m標(biāo)準(zhǔn)桿擺放位置

（2）單臺(tái)跟蹤儀測(cè)量：?jiǎn)闻_(tái)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)查詢桿長(zhǎng)，以三坐標(biāo)測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比較，從圖10中可以看出，單臺(tái)跟蹤儀在不同距離，是無(wú)法滿足整個(gè)測(cè)量場(chǎng)任意位置偏差10μm以內(nèi)的要求。

圖10：62#跟蹤儀的測(cè)量桿長(zhǎng)偏差

（3）USMN組網(wǎng)測(cè)量：四臺(tái)跟蹤儀測(cè)量數(shù)據(jù)解算查詢的桿長(zhǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，從圖11中可以看出，多臺(tái)跟蹤儀組網(wǎng)測(cè)量，結(jié)果得到了非常大的提升，其精度可以滿足測(cè)量場(chǎng)中10μm的精度要求。

圖11：組網(wǎng)測(cè)量1m桿長(zhǎng)偏差

3.6 2m標(biāo)準(zhǔn)桿測(cè)量：

標(biāo)準(zhǔn)桿三坐標(biāo)測(cè)量精度為2299.7103mm。使用2m標(biāo)準(zhǔn)桿，橫、斜向不同姿態(tài)擺放，在空間范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，共計(jì)12個(gè)位置，每個(gè)位置重復(fù)3次，擺放位置見(jiàn)圖12。

圖12：2m標(biāo)準(zhǔn)桿擺放位置

數(shù)據(jù)分析：從圖13折線圖可以看出，在長(zhǎng)15m寬7米的測(cè)量場(chǎng)內(nèi)，USMN組網(wǎng)測(cè)量2m的標(biāo)準(zhǔn)桿可以滿足10μm的精度要求。

圖13：組網(wǎng)測(cè)量2m桿長(zhǎng)偏差

4.結(jié)語(yǔ)：開(kāi)啟大空間的高精度檢測(cè)

中圖GTS激光跟蹤儀USMN組網(wǎng)技術(shù)，僅需30分鐘單人操作即可完成四臺(tái)設(shè)備的組網(wǎng)定位工作，后續(xù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了測(cè)量網(wǎng)中任意位置的10微米精度，展現(xiàn)出突破性的精度提升和高測(cè)量效率。這項(xiàng)技術(shù)不僅提升了工業(yè)測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)，還成為了優(yōu)化生產(chǎn)流程、增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工具，助力企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)。選擇中圖激光跟蹤儀，確保每次測(cè)量精確無(wú)誤，為產(chǎn)品質(zhì)量保駕護(hù)航。