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量

1.背景：突破單站式測量精度的局限

當(dāng)前，對于激光跟蹤儀的大尺寸測量應(yīng)用，普遍采用單臺作業(yè)或多站位轉(zhuǎn)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(yīng)用場景是不夠的。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)有測量技術(shù)的局限，實現(xiàn)測量精度和效率的提升。

圖1：單站測量(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，實現(xiàn)更高精度的測量呢？為了解決這一問題，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(shè)備構(gòu)建的空間坐標(biāo)測量網(wǎng)，它通過足夠數(shù)量的固定參考點將多個測量設(shè)備聯(lián)系起來并統(tǒng)一在一個坐標(biāo)系下。USMN采用優(yōu)化數(shù)值計算技術(shù)，利用多測站權(quán)重分配優(yōu)化平差，可以顯著減小角度測量誤差對測量結(jié)果的干擾，充分利用激光跟蹤儀測距精度高的特點。

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在USMN 測量中，固定目標(biāo)點的賦值是由該點的所有測站所決定，每個坐標(biāo)點的不確定度會根據(jù)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(yuǎn)小于轉(zhuǎn)站測量，見圖2。

圖2：單設(shè)備轉(zhuǎn)站與USMN 測量

在SMT軟件的USMN計算界面（如圖3），默認(rèn)設(shè)置儀器1為主儀器進(jìn)行計算，可以手動切換為其它儀器，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)，確保整體測量數(shù)據(jù)的精度，有效解決因單站位測量距離過遠(yuǎn)而導(dǎo)致的精度下降問題。

圖3：USMN 界面儀器權(quán)重設(shè)置

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

圖4：USMN 數(shù)據(jù)處理示意圖

3.案例分享：精確到微米的測量

下面以使用GTS系列激光跟蹤儀組網(wǎng)測量標(biāo)準(zhǔn)桿驗證測量精度為例，簡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測量簡介：

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

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

3.2設(shè)備選型與布局：

根據(jù)測量空間的特點，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，確保每個站位跟蹤儀將合理范圍內(nèi)且視線無干涉的點位全部采集，后考慮誤差分析再進(jìn)行權(quán)重取舍。在長15米寬7米的測量空間范圍內(nèi)，布置20個定位點。跟蹤儀和定位點布置見圖5。

圖5：設(shè)備與定位點布局

3.3定位點測量：

跟蹤儀通過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個定位點，見圖6。USMN通過點的名稱來匹配，不同儀器測量同一個定位點，測量點名稱要一致。

圖6：定位點測量數(shù)據(jù)

3.4 USMN解算：

通過SMT軟件進(jìn)行解算分析，選擇4臺儀器的定位點測量數(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（圖7）。

圖7：USMN解算

點擊應(yīng)用，生成USMN解算點組并將4臺設(shè)備定位（圖8）。

圖8：儀器定位

3.5 1m標(biāo)準(zhǔn)桿測量：

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

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

圖9：1m標(biāo)準(zhǔn)桿擺放位置

（2）單臺跟蹤儀測量：單臺儀器測量數(shù)據(jù)查詢桿長，以三坐標(biāo)測量值為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比較，從圖10中可以看出，單臺跟蹤儀在不同距離，是無法滿足整個測量場任意位置偏差10μm以內(nèi)的要求。

圖10：62#跟蹤儀的測量桿長偏差

（3）USMN組網(wǎng)測量：四臺跟蹤儀測量數(shù)據(jù)解算查詢的桿長，與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果得到了非常大的提升，其精度可以滿足測量場中10μm的精度要求。

圖11：組網(wǎng)測量1m桿長偏差

3.6 2m標(biāo)準(zhǔn)桿測量：

標(biāo)準(zhǔn)桿三坐標(biāo)測量精度為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)行測量，共計12個位置，每個位置重復(fù)3次，擺放位置見圖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15m寬7米的測量場內(nèi)，USMN組網(wǎng)測量2m的標(biāo)準(zhǔn)桿可以滿足10μm的精度要求。

圖13：組網(wǎng)測量2m桿長偏差

4.結(jié)語：開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(shè)備的組網(wǎng)定位工作，后續(xù)測量實現(xiàn)了測量網(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量效率。這項技術(shù)不僅提升了工業(yè)測量的精度標(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誤，為產(chǎn)品質(zhì)量保駕護(hù)航。