针对装配过程中曲面变形检测工程强度大、处理过程繁琐等问题，提出一种基于优化控制点监测的Laplace曲面复现技术。首先，按照约束方式不同对构件进行模型简化，通过对简化模型挠曲线定性分析进行控制点点位布设和间距优化；其次，通过以质心为基准按长度等比例映射在源模型和现实变形构件之间建立关系，以确定源模型上对应的控制点坐标；在此基础上对曲面进行Laplace变形，以达到复现曲面能够切实反映真实变形构件的目的。通过实验从一般尺寸规则曲面推广到以机翼为代表的大尺寸复杂曲面，其重建精度93%可控制在0.1 mm以内，能切实反映构件实际变形，在实际应用中具有重要的工程指导意义。

为了解决大尺寸空间测量场建立过程中会出现测量效率无法保证、精度不达标, 以及测量过程中任务经常有遗漏等问题, 对测量场的建立进行了规划研究。以激光雷达测量系统为载体, 采用蒙特卡洛仿真方法对系统的测量模型进行分析, 并对测量场全周期的建立过程, 即系统站位配置、转站点布置优化、数据采集方式选择以及测量数据的预处理等进行了理论分析和实验验证。结果表明, 经过规划的激光雷达测量场精度可以达到0.05mm以内, 单点测量精度达到0.1mm以内, 符合大尺寸空间测量场精度要求, 实现了对测量场的规划评估。此研究对于大尺寸测量领域具有一定的意义。

针对新型飞行器对装配精度需求的不断提高,常用的数字化测量辅助装配系统已无法满足的问题,基于iGPS激光测量系统提出一种新型多装置混合对接测量方法,并基于该测量方法建立位姿测量模型、位姿解算模型和对接路径解算模型。iGPS激光测量系统引导全局对接后,触发局部多数据融合测量系统对局部位姿进行传感,通过局部位姿解算模型即可求解接合耳片之间的角度误差和位置误差,补偿误差后可优化对接路径,从而提高对接精度。实验结果表明,补偿误差后的位置精度达到5.8×10 -2mm,角度精度达到9°×10 -3,说明所提方法满足实际对接精度的需求。

为了实现激光投影仪器或系统的自动聚焦, 研究搭建了激光动态聚焦系统。该系统可依据背向反射光强信号的变化调节聚焦系统的镜组间距, 使激光扫描投影系统能够在不同距离的投影面上聚焦出最小光斑, 从而提高系统的定位精度。根据激光动态自聚焦系统的原理, 设计了光学杠杆型和反远距型2种动态自聚焦方案, 并推导出相应的数学模型; 利用ZEMAX光学设计软件进行仿真实验, 通过比较得出响应更加灵敏、结构更加合理的自聚焦系统; 搭建新型自聚焦激光扫描投影系统对动态自聚焦性能进行了验证。实验结果表明: 反远距型动态自聚焦系统更加合理, 在4.5 m处的投影面上, 汇聚光斑直径最优可达0.2 mm, 可使激光扫描投影仪在进行辅助装配时的定位准确度提高至0.1 mm, 能够达到先进制造装配工程中零部件的精准定位要求。

为了解决激光3D投影定位无法兼顾高精度、实时性、智能补偿定位的问题, 搭建了一种基于激光跟踪定位技术的智能激光3D投影系统, 并进行空间精度分析。首先, 建立激光3D投影系统数学模型; 其次对激光3D投影系统进行光学中心标定, 再利用投影承接部件基准点对部件坐标系进行标定, 从而完成智能激光3D投影系统的标定及搭建; 最后, 建立智能激光3D投影定位精度模型。仿真结果显示, 激光3D投影仪投影区域中间部分精度最佳, 由激光跟踪测量精度引起的投影承接面投影点误差小于投影仪引起的投影承接面投影点误差。实验结果显示: 在3~4 m的投影距离上, 所研制的智能激光3D投影系统的投影形状及位置准确度可以优于0.3 mm。与传统的激光投影系统相比, 该系统解决了大尺寸投影承接部件不能大量安装合作目标问题, 使工作中无需目标反射头及校准工装, 省略校准过程, 当投影系统或被测部件移动或漂移时, 智能化识别、解算、补偿相对位移量, 保证实时、精确投影至正确位置, 极大提高了投影定位系统的工作精度和定位效率。

为了提高激光3D投影校准系统的校准可靠性、获得最佳校准参数, 根据校准系统的基本原理, 提出了一种将激光3D投影观测值求解模型与校准参数求解模型结合的方式, 来建立激光3D投影校准模型的方法.该方法采用两个步骤进行激光3D投影校准系统的校准参数的求解.第一步是通过等距法建立激光3D投影观测值求解模型, 引入模型初值的求解, 这种初值的设计结果避免了该求解模型运用的牛顿迭代法呈现的弊端.第二步通过四元数法建立校准参数求解模型.仿真结果显示, 在H、V上施加服从正态分布的均值为0、标准差σ=0.5″的误差后, 该激光3D投影校准系统求解模型误差RMS在0.3 mm以内, 同时, 采用激光跟踪仪作为对比基准验证了本方法的可靠性及校准精度, 在3 m至5 m的定位空间范围内, 最大误差在0.4 mm以内, 满足激光3D投影系统的投影定位精度.即该校准模型可实现对激光3D投影校准系统校准参数的求解, 且校准精度高, 校准方法收敛速度快, 提高了系统校准工作速率, 为激光投影系统的研制提供了新的算法思路.

由于利用经典最小二乘原则对激光跟踪仪进行坐标转换时,系数矩阵中携带的随机测量误差会影响转站精度,故对激光跟踪仪的转站算法进行了研究。提出了基于线性EIV模型(Errors-in-Variables)和加权整体最小二乘法(WTLS)并利用间接平差形式迭代求解转站参数的方法;利用Matlab进行仿真分析并用API公司生产的激光跟踪仪进行实验。仿真结果显示WTLS法的单位权中误差的平均值和标准差分别为经典加权最小二乘法(WLS)的4/5和1/5;实验结果显示WTLS和WLS两种方法的单位权中误差分别为2.003 5 mm和2.225 3 mm;这些数据证明采用WTLS法的转站结果比WLS的精度更高且更稳定。该方法可为组建激光跟踪仪测量网络,优化网络布局奠定基础。

利用Zemax光学工程软件，设计了一种应用于闭路电视监控镜头的光学系统。该系统有效焦距f为5 mm，F数为2.8，视场2ω为70°，采用1/2 inch CCD作为图像接收器件，像元尺寸为6.5 μm×6.5 μm。为实现系统结构紧凑和大视场的特点，采用反远型结构进行放缩和简化。根据闭路电视镜头的特点，在允许存在一定的场曲的条件下，使系统具有较高的分辨率。设计结果表明，利用5片球面透镜即可满足设计要求。该镜头在奈奎斯特频率处， 0.7视场(FOV)以内的调制传递函数(MTF)值大于0.3，在奈奎斯特频率1/2处视场的MTF值均大于0.5。系统各组元均为球面镜，形式简单、结构紧凑。