[发明专利]一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统

权利要求书

1.一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：主要由机械安装结构与信号采集处理系统两大部分组成；

机械安装结构部分包括标准立方块(2)、激光测距传感器(3)、盒型传感器基座(1)、磁性表座支持结构(4)、定位卡具(5)；

所述激光测距传感器(3)为激光三角法测量原理的测距传感器；

所述盒型传感器基座(1)用于激光测距传感器(3)的精确安装定位，结构设计成盒型并对被测标准立方块(2)形成包围，六套激光测距传感器(3)按照三个基准平面每面两套安装，六套激光测距传感器(3)安装后全部对准被测标块(2)的各个面；

所述标准立方块(2)由精密机加工成型为精确的六面立方体，作为空间内位置变化的测量标靶，每个激光测距传感器(3)垂直瞄准标准立方块(2)测得激光测距传感器(3)距离测量点的距离，通过简单加减换算即能够获得测量点相对于盒型传感器基座(1)坐标系的三维位置坐标；所述测量点即为激光投影点；所述盒型传感器基座(1)坐标系即为六自由度精密测量系统的测量坐标系；

所述磁性表座支持结构(4)用于调整和固定盒型传感器基座(1)，所述磁性表座支持结构(4)通过结构设计保证盒型传感器基座能够在固定前在各个自由度上进行调整并最终锁紧；

信号采集处理系统部分包括上位机平台、通讯系统、信号采集与解析模块、状态监测功能界面。

2.如权利要求1所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：所述上位机平台选用PC平台或工控机平台。

3.如权利要求1所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：所述通讯系统采用串口通讯转换器，对应于支持总线数据通讯的激光测距传感器(3)。

4.如权利要求1所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：所述信号采集与解析模块用于串口通讯数据的读取，并编译或调用第三方算法模块加以解析计算得到目标点实际的六自由度位置数据。

5.如权利要求1所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：所述状态监测功能界面用于实时显示解算得到的目标点六自由度位置数据，同时还包括数据存储控制及输出功能的操作界面。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：工作方法为，基于空间点坐标位置测量原理，实现空间点的六自由度坐标位置参数的解耦测量；当应用于悬臂梁力加载结构，还包括外延支架(6)，悬臂梁(7)；所述盒型传感器基座(1)用于激光测距传感器(3)的精确安装定位，并对被测标准立方块(2)形成包围，六套激光测距传感器(3)按照三个基准平面每面两套安装，六套激光测距传感器(3)安装后全部对准被测标块(2)的各个面；所述磁性表座支持结构(4)用于调整和固定盒型传感器基座(1)，所述磁性表座支持结构(4)通过定位卡具(5)保证盒型传感器基座(1)能够在固定前在各个自由度上进行调整并最终锁紧；所述标准立方块(2)作为空间内的位置变化的测量标靶，每个激光测距传感器(3)垂直瞄准标准立方块(2)测得激光测距传感器(3)距离测量点的距离，通过简单加减换算即能够获得测量点相对于盒型传感器基座(1)坐标系的三维位置坐标；根据准被测标块(2)六面体上非冗余的六个已知点的空间三维位置坐标能够唯一解算出该结构体空间位置，进行解析几何方程的列式和求解，实现空间点的六自由度坐标位置参数的解耦测量，即实现受力结构微小形变量的多自由度精密测量。

7.如权利要求6所述的一种用于受力结构微小形变测量的六自由度精密测量系统，其特征在于：根据准被测标块(2)六面体上非冗余的六个已知点的空间三维位置坐标能够唯一解算出该结构体空间位置，具体解析几何方程的列式和求解方法如下，

六自由度位移解算分析的方法原理为解析几何的计算分析过程，激光测距传感器(3)的数据l₁～l₆每采集一次，能够唯一确定立方体的一个位置状态；

空间内的任意平面用一个含有三个系数的三元一次方程来表示，定义立方块面一方程：

A₁x+B₁y+C₁z＝1，其中未知系数为A₁，B₁，C₁；

点I(x₁，y₁，z₁)和点Ⅱ(x₂，y₂，z₂)在面一上，得方程：

A₁x₁+B₁y₁+C₁z₁＝1…………(1)

A₁x₂+B₁y₂+C₁z₂＝1…………(2)

其中点I(x₁，y₁，z₁)和点Ⅱ(x₂，y₂，z₂)的坐标位置全部是已知的，所述两点数值能够通过已知的第一激光测距传感器(3)和第二激光测距传感器(3)的结构按照位置以及所述两个传感器的测距数值l₁、l₂简单的计算出来；

定义立方块面二方程：

A₂x+B₂y+C₂z＝1，其中未知系数为A₂，B₂，C₂；

点Ⅲ(x₃，y₃，z₃)和点Ⅳ(x₄，y₄，z₄)在面一上，得方程：

A₂x₃+B₂y₃+C₂z₃＝1…………(3)

A₂x₄+B₂y₄+C₂z₄＝1…………(4)

其中点Ⅲ(x₃，y₃，z₃)和点Ⅳ(x₄，y₄，z₄)的坐标位置全部是已知的，所述两点的数值通过已知的第三激光测距传感器(3)和第四激光测距传感器(3)的结构按照位置以及所述两个传感器的测距数值l₃、l₄简单的计算出来；

定义标准立方块面三方程：

A₃x+B₃y+C₃z＝1，其中未知系数为A₃，B₃，C₃；

点Ⅴ(x₅，y₅，z₅)和点Ⅵ(x₆，y₆，z₆)在面一上，可得方程：

A₃x₅+B₃y₅+C₃z₅＝1…………(5)

A₃x₆+B₃y₆+C₃z₆＝1…………(6)

其中点Ⅴ(x₅，y₅，z₅)和点Ⅵ(x₆，y₆，z₆)的坐标位置全部是已知的，所述两点的数值通过已知的第五激光测距传感器(3)和第六激光测距传感器(3)的结构按照位置以及所述两个传感器的测距数值l₅、l₆简单的计算出来；

根据立方块面一、面二、面三之间相互垂直关系，又得如下关系式：

A₁A₂+B₁B₂+C₁C₂＝0…………(7)

A₁A₃+B₁B₃+C₁C₃＝0…………(8)

A₂A₃+B₂B₃+C₂C₃＝0…………(9)

联立方程(1)～(9)，求解并摒除含虚数的解，可得九个未知数(A₁，B₁，C₁，A₂，B₂，C₂，A₃，B₃，C₃)的唯一解；

联立方程：

A₁x+B₁y+C₁z＝1

A₂x+B₂y+C₂z＝1

A₃x+B₃y+C₃z＝1

此时A₁，B₁，C₁，A₂，B₂，C₂，A₃，B₃，C₃为已知数带入，能够解得P点的三维坐标(x_P，y_P，z_P)；

立方体角度坐标用法平面分别与三个基准平面xoy、yoz、yoz的角度关系(α_n，β_n，γ_n)来表示；同样根据结构几何关系和结构约束关系，点解算得结构上被测目标点M点的点坐标(x_M，y_M，z_M)和角度坐标(α_M，β_M，γ_M)，两次测量点各坐标的差值即为结构在各方向的相对位移。