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準動態(tài)測量儀器動態(tài)特性的研究

更新時間:2009-11-12      瀏覽次數(shù):4088

根據(jù)工作狀態(tài),測量儀器通??煞譃殪o態(tài)量儀和動態(tài)量儀兩大類。但在某些測量場合(如空間坐標測量),測量儀器無法進行全自動測量,只能采用機動定位、人工瞄準的測量方法,此類儀器在測量過程中既有動態(tài)跟蹤,又有靜態(tài)測量,因此其特性與靜態(tài)量儀和動態(tài)量儀均有所不同,我們將此類儀器稱為準動態(tài)測量儀器。目前有關(guān)準動態(tài)測量儀器特性的研究文獻不多。為了對準動態(tài)測量儀器特性進行深入研究,我們在空間坐標測量常用的雙經(jīng)緯儀測量法的基礎(chǔ)上,選用兩臺通用電子經(jīng)緯儀組成一個雙經(jīng)緯儀準動態(tài)空間坐標測量系統(tǒng),并對該實驗裝置在不同跟蹤速度下的動態(tài)特性進行了實驗研究。

2 實驗系統(tǒng)的建立

(1)測量原理

雙經(jīng)緯儀測量法主要基于三角法測量原理,其坐標關(guān)系。當利用現(xiàn)場標定方法確定兩臺經(jīng)緯儀坐標原點的間距L后,再由經(jīng)緯儀A和B分別測得αA、βA和αB,即可通過空間幾何關(guān)系確定空間點P的位置,P點的坐標計算公式為
xP=rAsinβAcosαA= cosαAsinαB L
 
sin(αBA
yP=rAsinβAsinαA= sinαAsinαB L
 
sin(αBA
zP=rAcosβA= sinαB L
 
tanβAsin(αBA
(1)

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙經(jīng)緯儀空間坐標測量實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。兩臺電子經(jīng)緯儀按數(shù)學(xué)模型的要求相互之間傾斜一定角度放置,坐標系原點’設(shè)置于經(jīng)緯儀1上,以兩臺經(jīng)緯儀的中心連線作為X軸。測量目標安放在XY精密工作臺上,由光柵傳感器測定直線移動距離作為基準值。電子經(jīng)緯儀原安裝于三腳架上,使用時必須保持水平,由于實驗室地面較光滑,三腳架不易安放及調(diào)節(jié),因此設(shè)計了用于安裝電子經(jīng)緯儀和自動跟蹤系統(tǒng)電機傳動裝置的底座,為保證空間坐標系統(tǒng)的穩(wěn)定性,固定儀器的底座板選用厚鋼板制作,并能方便地進行水平調(diào)節(jié)和高度調(diào)節(jié)。兩個底座相隔一段距離安放,兩臺電子經(jīng)緯儀的望遠鏡軸線與測量目標位于同一水平面上,電子經(jīng)緯儀分別由兩臺交流伺服電機帶動與測量目標同步運動,進行自動跟蹤。
電子經(jīng)緯儀原是通過人工進行跟蹤與瞄準,但為了研究準動態(tài)測量儀器的動態(tài)特性,必須實現(xiàn)空間坐標測量系統(tǒng)對速度變化的測量目標的自動跟蹤,為此設(shè)計了一套由動力源及傳動機構(gòu)組成的速度可調(diào)的自動跟蹤運動機構(gòu)。此外,由于自動跟蹤機構(gòu)采用無反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)結(jié)構(gòu),定位不夠準確,因此設(shè)計了一套定位微調(diào)機構(gòu)以實現(xiàn)坐標測量系統(tǒng)的瞄準與定位。由于電子經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)的限制,無法安裝皮帶輪或完整齒輪,因此設(shè)計了一個U型卡座卡在電子經(jīng)緯儀一邊的支座上,與齒輪支撐板卡在支座四周。測量時,電機帶動小齒輪旋轉(zhuǎn),從而帶動大齒輪(設(shè)計為部分齒片狀,中心角約為36°)和電子經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn),通過控制電機與測量目標同步動作,即可達到坐標測量系統(tǒng)自動跟蹤、瞄準與定位的目的。由于空間坐標測量系統(tǒng)跟蹤目標所需速度小于0.1r/min,而電機速度為4.5r/min,因此齒輪傳動機構(gòu)的傳動比設(shè)計為1:8。

(3)動態(tài)精度分析

雙經(jīng)緯儀空間坐標組合測量系統(tǒng)的動態(tài)精度主要取決于組成系統(tǒng)的兩臺電子經(jīng)緯儀的動態(tài)誤差和自動跟蹤傳動定位機構(gòu)的動態(tài)誤差。電子經(jīng)緯儀的動態(tài)誤差主要與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān),自動跟蹤傳動定位機構(gòu)的動態(tài)誤差主要與電機動態(tài)特性有關(guān),它們的動態(tài)誤差將直接影響自動跟蹤速度,因此,研究測量系統(tǒng)動態(tài)精度與跟蹤速度的對應(yīng)關(guān)系對于研究準動態(tài)測量儀器的動態(tài)特性具有重要意義。

3 實驗系統(tǒng)動態(tài)精度的標定

(1)電子經(jīng)緯儀動態(tài)精度的標定

附表 標定實驗數(shù)據(jù)
跟蹤速度ω ω=3.6r/min ω=2.7r/min ω=1.8r/min ω=0.9r/min
σ(L)(mm) 0.2973 0.5045 0.3880 0.2474
s1(") 6.033 9.400 3.633 5.643
s2(") 7.194 20.727 9.920 3.382
首先采用自準直儀與正24面棱體組合校準方法對電子經(jīng)緯儀的動態(tài)精度進行標定實驗。由于實驗系統(tǒng)測量目標移動范圍的限制,自動跟蹤傳動機構(gòu)中大齒輪的圓心角只有36°,只能標定電子經(jīng)緯儀30°水平轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的動態(tài)精度(即只需對正24面棱體的3個面進行標定)。標定時,電機帶動電子經(jīng)緯儀順時針方向旋轉(zhuǎn),由點動開關(guān)和定位微調(diào)機構(gòu)進行定位,標定完30°位置后將電子經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)回再重新標定。分別對電子經(jīng)緯儀4種跟蹤速度(由慢到快)下的動態(tài)精度進行標定,并計算出15°、30°位置分別與0°位置測量值差值的標準差s1和s2,實驗數(shù)據(jù)見附表。

(2)測量系統(tǒng)動態(tài)精度的標定

雙經(jīng)緯儀空間坐標組合測量系統(tǒng)動態(tài)精度的標定實驗。通過調(diào)節(jié)相關(guān)機構(gòu)使兩臺電子經(jīng)緯儀與測量目標的位置關(guān)系符合數(shù)學(xué)模型要求(同一水平面、等高、X軸重合),當兩臺電子經(jīng)緯儀等高后,將經(jīng)緯儀1的水平角度置零,經(jīng)緯儀2回轉(zhuǎn)180°后置零,即可使兩臺經(jīng)緯儀的X軸重合。由電機帶動兩臺經(jīng)緯儀瞄準測量目標,記下此時角度,測量目標隨XY精密工作臺在視場內(nèi)近似均布的5個位置停止(現(xiàn)場安放的電子經(jīng)緯儀對XY精密工作臺的視場角小于15°,因此兩位置之間的視場角約為3°),雙經(jīng)緯儀空間坐標測量系統(tǒng)在4種不同跟蹤速度下進行目標跟蹤,記下兩臺經(jīng)緯儀的讀數(shù)αA、αB及XY精密工作臺的讀數(shù)L0。為減小偶然誤差的影響,上述標定過程重復(fù)進行3次。
根據(jù)式(1)確定兩臺經(jīng)緯儀坐標原點之間的距離L。由于當標定點位于兩臺經(jīng)緯儀連線的中心線上時U(L)zui小,因此任取大致位于經(jīng)緯儀連線的中心線上的5個點作為L的標定點,對計算得到的L值取平均值可得L=1200.3818mm。將L值和兩臺電子經(jīng)緯儀的讀數(shù)αA和αB帶入式(1),計算出測量目標各個位置與起點間的距離L1并減去XY精密工作臺的讀數(shù)L0,根據(jù)得到的偏差值ΔL,即可計算出在4種跟蹤速度下的σ(L)值(見附表)。

4 結(jié)論

綜合分析電子經(jīng)緯儀和雙經(jīng)緯儀空間坐標組合測量系統(tǒng)動態(tài)精度標定實驗數(shù)據(jù)s1、s2和σ(L)的變化規(guī)律,可得出如下結(jié)論:
  1. 由于受儀器結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)部件間隙的影響,電子經(jīng)緯儀的動態(tài)精度比靜態(tài)精度(s=5")有較大幅度下降。
  2. 單臺電子經(jīng)緯儀以及由兩臺電子經(jīng)緯儀組成的雙經(jīng)緯儀空間坐標測量系統(tǒng)的動態(tài)精度均與跟蹤速度的變化趨勢有關(guān)。
  3. 在雙經(jīng)緯儀空間坐標測量系統(tǒng)動態(tài)精度隨跟蹤速度的變化趨勢中存在一個臨界速度,在此臨界速度附近測量系統(tǒng)的動態(tài)精度較低,因此使用準動態(tài)測量儀器進行動態(tài)測量時應(yīng)盡可能避開該臨界速度。

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