阅读说明：本技术 一种激光跟踪测量系统俯仰模块的配重计算方法 (Counterweight calculation method for pitching module of laser tracking measurement system ) 是由 陈洪芳 孙若水 李长亮 宋辉旭 石照耀 于 2019-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光跟踪测量系统俯仰模块的配重计算方法,该方法计算了在激光追踪系统水平回转平台整体重心偏移的情况下尾部平衡配重的计算方法。在激光追踪系统中,如果水平回转平台重心偏移会极大的提升激光追踪系统俯仰运动电机的控制难度。本发明提供的配重计算方法可以有效地为激光追踪系统设计合理的配重,降低对俯仰运动电机的控制难度,提高激光追踪测量系统的精度。(The invention discloses a counterweight calculation method for a pitching module of a laser tracking measurement system, which calculates a calculation method for a tail balance counterweight under the condition of integral gravity center deviation of a horizontal rotary platform of the laser tracking system. In the laser tracking system, if the gravity center of the horizontal rotary platform is shifted, the control difficulty of a pitching motion motor of the laser tracking system can be greatly improved. The counterweight calculation method provided by the invention can effectively design a reasonable counterweight for the laser tracking system, reduce the control difficulty of the pitching motion motor and improve the precision of the laser tracking measurement system.)

一种激光跟踪测量系统俯仰模块的配重计算方法

技术领域

本发明涉及一种激光测量领域，特别涉及一种激光跟踪测量系统俯仰模块的激光跟踪测量系统配重计算方法。

背景技术

激光跟踪系统用于测量空间大尺寸几何尺寸和动态轨迹，是大型科学工程和高端设备制造迫切需要的测量设备。为了实现空间动态目标跟踪和测量，需要激光跟踪系统精确地实时检测动态目标位置的相对变化，并通过跟踪控制单元的俯仰角进行高速伺服控制。测量光束总是能保证快速瞄准和跟踪空间运动目标中心，从而实现大范围、远距离运动目标的实时跟踪和精确测量。激光跟踪测量系统主要由能够实现自动跟踪的二维回转机构和干涉测长系统组成。跟踪控制系统应具有响应快、无静态误差、跟踪误差小、工作稳定可靠等特点。但是由于激光跟踪系统激光头部分(俯仰模块)的重心会与俯仰电机的旋转轴线产生一个偏心距，这个偏心距会增加俯仰电机的高速伺服控制难度，使其难以将电机控制参数调整到一个合适的数值。

发明内容

本发明的目的在于计算一种激光跟踪测量系统俯仰模块的平衡配重块质量，提供了一种利用计算平衡配重质量块的计算方法。本发明在传统的激光跟踪测量系统的俯仰模块部分增加了配重块设计，作用为平衡激光头部分的质量，让激光跟踪测量系统的俯仰部分的中心点位于俯仰电机旋转轴线的位置，这样的设计可以有效降低俯仰电机高速伺服控制的难度，达到更好的电机控制效果。

如图1、图2所示，该激光跟踪测量系统的俯仰模块包括激光头部分、俯仰连接支架13及配重块组。配重块组和激光头部分利用螺栓连接固连在俯仰连接支架13上。配重块组由两块配重块I14、配重支撑板15、两块配重连接板16 和配重块II 17组成，两块配重块I与一块配重块II组成配重组。两块配重连接板16对称设在配重支撑板15两侧，两块配重块I14对称分布在一块配重连接板16两侧，配重块II 17设在另一块配重连接板16的一侧；

激光头部分由光电接收器1、BS透镜及透镜架2、PBS透镜及透镜架3、1/4 波片及波片架4、光阑5、凸透镜及透镜架6、激光架7、PSD电路板8、光路搭载底板9、光路搭载连接板10、垂直微调旋钮11、水平微调旋钮12黑色不透光外壳19。如图1所示，激光头部分整体重心偏向一侧，为了方便控制系统的调节，需要在俯仰连接支架13中设计尾部配重块重量来平衡激光头部分的重量。

如图2所示，激光跟踪测量系统的整体机械结构为俯仰模块18。俯仰模块 18与俯仰轴电机通过螺栓固定。如图3所示，分别以标准球球心为原点O，水平回转轴、垂直回转轴分别为X轴和Z轴，建立O-XYZ坐标系。以XOZ平面为分割面，将整个水平回转转动部分分割为如图5所示俯仰前半部20与俯仰后半部 21。

如图3所示，设水平回转前半部重心点空间坐标为A(x₁，y₁，z₁)，标准球球心为空间坐标系原点O(0，0，0)，水平回转后半部重心点空间坐标为B(x₂，y₂，z₂)，尾架部分重心点空间坐标为C(x₃，y₃，z₃)，配重组重心点空间坐标为D(x₄，y₄，z₄)。设俯仰前半部质量为m₁，尾架部分质量为m₂，配重组质量为m₃，水平回转后半部质量为(m₂+m₃)。

配重块组的作用为平衡俯仰前半部20的质量，让激光跟踪测量系统的俯仰部分的中心点位于俯仰电机旋转轴线的位置，这样的设计能够降低电机控制PID 调整的难度，达到更好的电机控制效果。如图4所示，重心点B为重心点C与重心点D的合成重心点，且重心点B位于AO直线延长线上。以AB为杠杆，原点O为杠杆支撑点，满足方程：m₁·|AO|＝(m₂+m₃)·|OB|，式中：|AO|为线段AO的距离；|OB|为线段OB的距离。

本发明所采用的方法包括如下步骤：

步骤1：绘制激光跟踪测量系统的三维图，并将三维图的坐标系与数学模型的坐标系相匹配。以AB为杠杆，原点O为杠杆支撑点，满足方程：

m₁·|AO|＝(m₂+m₃)·|OB| (1) 式中：|AO|为线段AO的距离；|OB|为线段OB的距离；m₁为俯仰前半部质量；m₂为尾架部分质量；m₃为配重块质量。

步骤2：在三维模型中给全部零件赋予质量或密度，通过matlab计算出俯仰前半部重心点空间坐标为A(x₁，y₁，z₁)，尾架部分重心点空间坐标为C(x₃，y₃，z₃)，配重块重心点空间坐标为D(x₄，y₄，z₄)，俯仰前半部质量m₁，尾架部分质量m₂。配重组的重心点空间坐标中x₄为未知量，需要求解得出，y₄、z₄为已知量。

步骤3：计算AO的直线方程与|AO|、|OB|的长度

步骤4：计算合成重心点B的空间坐标方程

等式右边中，除m₂与x₄为未知量，其余均为计算得出的已知量。

步骤5：将合成重心点B的空间坐标方程(5)，代入AO直线方程(2)后得到下方程：

根据方程计算得出x₄的具体数值。

步骤6：将合成重心点B的空间坐标方程(5)代入|OB|长度公式(4)后得到下式：

将|AO|长度公式(3)与|OB|长度公式(7)代入杠杆定理方程(1)后得到方程：

根据方程(8)求出配重块质量m₃。

与现有技术相比较，本发明的激光跟踪测量系统在不添加配重的情况下容易出现电机PID调节不到理想情况，导致电机上电后出现抖动，跟踪过程中出现目标丢失等情况。在添加了配重之后，在很大程度上减小了电机转动需要的力矩，有效降低俯仰电机高速伺服控制的难度，达到更好的电机控制效果。

附图说明

图1为一种激光跟踪测量系统俯视图。

图2为一种激光跟踪测量系统示意图。

图3为一种激光跟踪测量系统配重块计算原理图

图4为一种激光跟踪测量系统水平回转前半部示意图

图5为一种激光跟踪测量系统水平回转后半部示意图

图中标记：1-光电接收器、2-BS透镜及透镜架、3-PBS透镜及透镜架、4-1/4 波片及波片架、5-光阑、6-凸透镜及透镜架、7-激光架、8-PSD电路板、9-光路搭载底板、10-光路搭载连接板、11-垂直微调旋钮、12-水平微调旋钮、13-俯仰连接支架、14-配重块I、15-配重支撑板、16-配重连接板、17-配重块II、18-水平回转部分、19-黑色不透光外壳、20-俯仰前半部、21-俯仰后半部

具体实施方式

步骤1：绘制激光跟踪测量系统的三维图，并将三维图的坐标系与数学模型的坐标系相匹配。以AB为杠杆，原点O为杠杆支撑点，满足方程：

m₁·|AO|＝(m₂+m₃)·|OB| (1)

式中：|AO|为线段AO的距离；|OB|为线段OB的距离；m₁为俯仰前半部质量；m₂为尾架部分质量；m₃为配重块质量。

步骤2：在三维模型中给全部零件赋予质量或密度，其中光电接收器1质量为0.079kg；BS透镜及透镜架2质量为0.023kg；PBS透镜及透镜架3质量为 0.026kg；1/4波片及波片架4质量为0.021kg；光阑5质量为0.013kg；凸透镜及透镜架6质量为0.179kg；激光架7质量约为0.155kg；PSD电路板8质量约为 0.053kg；光路搭载底板9材料为铝合金，材料密度为2.820g/cm3；光路搭载连接板10材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³；垂直微调旋钮11材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³；水平微调旋钮12材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³、俯仰连接支架13材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³；配重块I14材料为铅，材料密度为11.370g/cm³；配重支撑板15材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³；配重连接板16材料为45钢，材料密度为7.850g/cm³；配重块II17材料为铅，材料密度为11.370g/cm³；黑色不透光外壳19材料为abs塑料，材料密度为1.060 g/cm³。通过软件计算出俯仰前半部重心点空间坐标A(31.253，132.368，-0.749)，尾架部分重心点空间坐标为C(-5.639，-104.813，20.996)，配重块重心点空间坐标为D(x₄，-128.782，44.330)，回转前半部质量m₁＝7.712kg，尾架部分质量 m₂＝2.120kg。

步骤3：计算AO的直线方程与线段|AO|、|OB|的长度

|AO|＝136.008

(3)

步骤4：计算合成重心点B的空间坐标方程

等式右边中，除m₂与x4为未知量，其余均为软件计算得出的已知量。

步骤5：将合成重心点B的空间坐标方程(5)，代入AO直线方程(2)后得到下方程：

根据方程计算得出x₄＝-49.584。

步骤6：将合成重心点B的空间坐标方程(5)代入|OB|长度公式(4)后得到下式：

将|AO|长度公式(3)与|OB|长度公式(7)代入杠杆定理方程(1)后得到方程：

根据方程(8)求出配重块质量m₃＝2.748kg

通过计算出的配重数据可以有效的使激光跟踪测量系统的俯仰模块18前后平衡，将整体重心放置俯仰电机回转轴线上，从而降低电机控制调节的难度。

对所公开实施案例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对本实施案例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施案例中体现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施案例，而是要求符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。