[发明专利]一种微惯导测量实体外形的装置

说明书

技术领域

本发明属于精密计量技术领域，特别涉及微惯性测量单元的应用技术，适用于机械、军工、汽车、工业制造等行业中三维复杂实体尺寸、外形和相互位置的准确测量。

背景技术

在工业生产和科学实验中，常常需要进行三维位置测量，如工件的加工、零件的精确安装等等。对于小型工件的普通测量，用一般的测量工具就可以完成三维位置的测量，但是对大型工件或者精密测量，普通的测量方法往往行不通。例如，在飞机机翼的制造中需要标定机翼上各点的位置，飞机的机翼长几十米，具有复杂的曲面结构，用一般的测量工具和测量方法准确地标定出机翼上各点的三维位置是一件很困难的事情。激光测距的方法可以精确地完成大距离的测量，但是该方法只适用于一维方向测量，无法满足三维测量的需要。国外解决这一问题的方法是三坐标测量机，并且通过多年的研究，已经由机械式三坐标测量机发展到计算机数控(C/C)三坐标测量机，探测方式也研究出探针式和光学式两大系列。但这些三坐标测量机都是将被测物体置于实体外形测量仪器的测量空间，获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、外形、位置公差、位置及其它几何量数据。源于以上原理，可知，为了精确获得被测物体上各测点的坐标位置，必须有一个稳定的、精确的、固定不变的坐标原点和坐标系，需要以精密加工的机械轨道装置来保证测量传感器的运动精度。较为成功的应用是在德国的MTL涡轮发动机制造厂，在一个计量中心的控制下，四台三坐标测量机组合在一起，承担了整个自动化车间生产的28种复杂精密零件的计量。它的突出缺点是体积庞大、设备复杂、成本太高。因此不适合推广应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服已有各种实体外形测量仪器的不足，提供一种便捷的测量实体外形的装置。

本发明的技术解决方案是：一种微惯导测量实体外形的装置，其特征在于，包括外形数据采集探针组、捷联惯性导航系统和数据存储器；其中外形数据采集探针组由一排带压力传感器的可伸缩探针组成；捷联惯性导航系统由微型惯性测量单元和导航计算机组成；微型惯性测量单元由三个微陀螺仪和三个微加速度计组成；导航计算机由A/D转换和处理器组成。实现实体外形测量的方法如下：

1)启动本测量装置并在插槽上进行初始对准，即将第一个定位探头对准在P_fo点，将第二个定位探头对准在P_eo点，使装置位置固定，标定陀螺零偏；

2)移动本测量装置，使其探针组滑过被测量实体表面，采集每个探针压力传感器敏感各个表征探针伸缩的位置数据和微惯性测量单元内陀螺仪敏感本测量装置的三个轴向转动角速度数据以及加速度计敏感本测量装置的三个轴向加速度数据；

3)测量完实体的一个表面后，将本测量装置移回起始位置，即将第一个定位探头重新置于P_fo，将第二个定位探头重新置于P_eo；将数据存储器内的数据传到PC机，再使系统装置初始化，然后移动本测量装置至实体的下一个测量表面；

4)重复上述过程，完成实体全部表面的数据采集和测量。

对采集的数据进行处理的过程如下：

1)根据已知的各个探针空间排列的相对位置以及采集的每个探针伸缩的位置数据，计算出测量开始时t₀时刻各个探针顶点在装置的仪器坐标系上的位置矢量(x_b y_b z_b)′；

2)根据t₀时刻微陀螺输出的角速度信息和微加速度计输出的加速度信息，计算出装置在插槽的导航坐标系上的位置矢量(x_n y_n z_n)′和仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵C_bⁿ；

3)根据(x_n y_n z_n)′和C_bⁿ及步骤1)求得的(x_b y_b z_b)′，求出t₀时刻各个探针顶点在导航坐标系中的位置矢量(x_t y_t z_t)′；

4)从测量开始的t₀时刻直至测量结束的t_n时刻，对每个时刻测量的数据都按步骤1)～步骤3)中的方法处理即可求出实体表面所有采样点在导航坐标系中的位置矢量；