GTS激光跟蹤儀USMN聯(lián)合組網(wǎng)應用——精確到微米的大空間尺度測量

1.背景：突破單站式測量精度的局限

當前，對于激光跟蹤儀的大尺寸測量應用，普遍采用單臺作業(yè)或多站位轉站測量的模式。然而，單站式激光跟蹤儀的空間測量精度為15μm+6μm/m，隨著(zhù)測量范圍越大，其測量不確定度越大，跟蹤儀的測角精度對空間測量精度的影響較大。例如測量半徑10m,空間測量精度為75um，對某些高精度、大范圍應用場(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，以突破現有測量技術(shù)的局限，實(shí)現測量精度和效率的提升。

圖1：?jiǎn)握緶y量(左)與USMN組站測量（右）

2.解決方案：激光跟蹤儀USMN組網(wǎng)

如何在大范圍空間測量中，突破單站激光跟蹤儀精度限制，實(shí)現更高精度的測量呢？為了解決這一問(wèn)題，中圖儀器推出的激光跟蹤儀測量分析軟件SpatialMaster（SMT軟件）集成了USMN功能。USMN 技術(shù)是一種由多測量設備構建的空間坐標測量網(wǎng)，它通過(guò)足夠數量的固定參考點(diǎn)將多個(gè)測量設備聯(lián)系起來(lái)并統一在一個(gè)坐標系下。USMN采用優(yōu)化數值計算技術(shù)，利用多測站權重分配優(yōu)化平差，可以顯著(zhù)減小角度測量誤差對測量結果的干擾，充分利用激光跟蹤儀測距精度高的特點(diǎn)。

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在USMN 測量中，固定目標點(diǎn)的賦值是由該點(diǎn)的所有測站所決定，每個(gè)坐標點(diǎn)的不確定度會(huì )根據參與測量的各測站的不確定度得到均化，不確定度的傳播遠小于轉站測量，見(jiàn)圖2。

圖2：?jiǎn)卧O備轉站與USMN 測量

在SMT軟件的USMN計算界面（如圖3），默認設置儀器1為主儀器進(jìn)行計算，可以手動(dòng)切換為其它儀器，并且儀器屬性設置可以根據不同儀器的精度情況，進(jìn)行權重和自由度設置，從而最大限度的利用數據，確保整體測量數據的精度，有效解決因單站位測量距離過(guò)遠而導致的精度下降問(wèn)題。

圖3：USMN 界面儀器權重設置

同時(shí)可以利用USMN 的數據統計功能（圖4）幫助測量分析者判斷結果的可靠性，在多站位擬合時(shí)，也可及時(shí)發(fā)現某一站位的測量點(diǎn)中粗大誤差，及時(shí)剔除防止干擾后續測量的準確性。

圖4：USMN 數據處理示意圖

3.案例分享：精確到微米的測量

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

3.1測量簡(jiǎn)介：

測量需求：在長(cháng)10米寬5米的空間范圍內，搭建四臺跟蹤儀USMN測量網(wǎng)，該范圍內的測量精度需要控制在10μm以?xún)取?/p>

測量流程：設備選型與布局→布置定位點(diǎn)并測量→USMN組網(wǎng)→測量驗證。

3.2設備選型與布局：

根據測量空間的特點(diǎn)，選擇4臺GTS3300型號激光跟蹤儀，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且視線(xiàn)無(wú)干涉的點(diǎn)位全部采集，后考慮誤差分析再進(jìn)行權重取舍。在長(cháng)15米寬7米的測量空間范圍內，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：設備與定位點(diǎn)布局

3.3定位點(diǎn)測量：

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

圖6：定位點(diǎn)測量數據

3.4 USMN解算：

通過(guò)SMT軟件進(jìn)行解算分析，選擇4臺儀器的定位點(diǎn)測量數據使用USMN配準，解算結果顯示RMS=0.057mm，最大偏差0.097mm為P13定位點(diǎn)（圖7）。

圖7：USMN解算

點(diǎn)擊應用，生成USMN解算點(diǎn)組并將4臺設備定位（圖8）。

圖8：儀器定位

3.5 1m標準桿測量：

標準桿用高精度三坐標進(jìn)行測量作為標準值，長(cháng)度為1004.7704mm。

（1）將1m標準桿，橫、豎、斜向不同姿態(tài)擺放，分別在測量空間范圍內進(jìn)行測量，共計20個(gè)位置，每個(gè)位置重復3次，擺放位置見(jiàn)圖9。

圖9：1m標準桿擺放位置

（2）單臺跟蹤儀測量：?jiǎn)闻_儀器測量數據查詢(xún)桿長(cháng)，以三坐標測量值為標準，進(jìn)行比較，從圖10中可以看出，單臺跟蹤儀在不同距離，是無(wú)法滿(mǎn)足整個(gè)測量場(chǎng)任意位置偏差10μm以?xún)鹊囊蟆?/p>

圖10：62#跟蹤儀的測量桿長(cháng)偏差

（3）USMN組網(wǎng)測量：四臺跟蹤儀測量數據解算查詢(xún)的桿長(cháng)，與標準值進(jìn)行對比，從圖11中可以看出，多臺跟蹤儀組網(wǎng)測量，結果得到了非常大的提升，其精度可以滿(mǎn)足測量場(chǎng)中10μm的精度要求。

圖11：組網(wǎng)測量1m桿長(cháng)偏差

3.6 2m標準桿測量：

標準桿三坐標測量精度為2299.7103mm。使用2m標準桿，橫、斜向不同姿態(tài)擺放，在空間范圍內進(jìn)行測量，共計12個(gè)位置，每個(gè)位置重復3次，擺放位置見(jiàn)圖12。

圖12：2m標準桿擺放位置

數據分析：從圖13折線(xiàn)圖可以看出，在長(cháng)15m寬7米的測量場(chǎng)內，USMN組網(wǎng)測量2m的標準桿可以滿(mǎn)足10μm的精度要求。

圖13：組網(wǎng)測量2m桿長(cháng)偏差

4.結語(yǔ)：開(kāi)啟大空間的高精度檢測

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設備的組網(wǎng)定位工作，后續測量實(shí)現了測量網(wǎng)中任意位置的10微米精度，展現出突破性的精度提升和高測量效率。這項技術(shù)不僅提升了工業(yè)測量的精度標準，還成為了優(yōu)化生產(chǎn)流程、增強產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工具，助力企業(yè)在市場(chǎng)競爭中保持優(yōu)勢。選擇中圖激光跟蹤儀，確保每次測量精確無(wú)誤，為產(chǎn)品質(zhì)量保駕護航。