自准直测量技术应用简介

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自准直测量技术一般采用平面镜准直或者立方镜准直方式。这两种准直方式各有不同，以下介绍平面镜准直和立方镜准直的特点及常见应用。

平面镜准直

平面镜的准直，是用一台经纬仪或全站仪照准平面镜，实现自准直，以确定平面镜的法线在某一坐标系的方向。它具有操作简单、便于实现等优点，但平面镜准直仅测出了平面镜的法线方向，只能用于保存方向，不能用于坐标系的建立和恢复。因此平面镜准直技术主要应用于设备安装调试等场景使用。

立方镜准直

立方镜准直有(a)中心准直和(b)镜面准直两种方法（常规的立方镜6个镜面中有3个带有十字丝刻画，十字丝刻画的交点为该镜面的中心）。

（a）中心准直，即采用两台全站仪分别自准直两个带有十字丝刻画并且相互垂直的镜面，准直的方向必须是十字丝交点法线的方向，两准直方向的交点为立方镜中心。由于中心准直要求两台全站仪都要沿镜面十字丝交点法线方向准直，这种方法准直的精度比较高，但操作起来比较困难，需要在平移板和专用脚架的辅助下进行。

（b)镜面准直是采用两台全站仪分别照准两个垂直的镜面即可，准直的范围为整个镜面，准直的方向是镜面任意一点的法线方向。镜面准直相对于中心准直，操作相对简单，获取准直数据速度快，并且摆脱了平移板和专用脚架的束缚，准直精度与中心准直相比稍低，但其精度亦可以满足一般工业需求。

应用介绍

Introduce

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坐标系建立

在工业测量实施过程中，往往会使用多台全站仪对某一工件进行测量，这时需要建立统一的测量坐标系，以方便后续的测量工作。

一般情况下将全站仪角度交汇坐标系定义为：以第一台仪器的三轴中心为原点；Z轴正向为铅垂线方向的反方向；以第一台仪器互瞄向第二台仪器的方向在水平面上的投影为X轴正向；Y轴由右手规则确定。第一台仪器和第二台仪器对同一根基准尺进行测量，确立坐标系的单位长度。多台仪器建立坐标系见下图。

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平面镜准直应用

通过前述已经知道，平面镜准直可以获得镜面的法线方向，该方向就确定了其在某一坐标系中与三个坐标轴的方位，即与三个坐标轴的夹角可以确定。

在某工程中，需要安装某一工件到设备上，假如只要求该工件某一方向在基准坐标系中的方位，就可以利用平面镜准直的方法进行调整或者保存该方向。将一小的平面镜粘于该工件上，将平面镜镜面法线方向与工件的理论方向保持一致（如上图），平面镜法线反方向与仪器准直方向相同，用全站仪对平面镜进行准直，准直以后对仪器进行整平，并与在该设备附近架设好的另外一台仪器进行互瞄，建立测量坐标系。

建立测量坐标系后，再次对平面镜进行准直测量，记录准直方向各角度值，再对用于构建该设备基准坐标系的全部点位进行测量，建立该基准坐标系。通过测量坐标系建立起平面镜法线方向与该设备基准坐标系各坐标轴的夹角，与已知理论值进行比较，即可对该工件进行调整。重复准直测量步骤，直到该工件安装方位值误差在允许的范围内即完成工件安装。

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立方镜准直应用

立方镜准直目前多用于建立或恢复坐标系，常应用于航空航天工业设备安装，轮船设备安装，大型发电机转子安装等领域的应用。

对立方镜进行准直，可以建立立方镜坐标系，以镜面准直为例。如上图所示，O为镜面十字丝交点，使用三台全站仪进行测量，其中两台用于准直，一台用于照准镜面十字丝刻画的交点。

全站仪1用来照准带有十字丝刻画的镜面，求出该面的准直方向；全站仪2用来准直与十字丝刻画面相垂直的面，用来求出其准直方向；由于采用的是镜面准直，只有两个准直方向不能求出立方镜中心位置，因此需使用全站仪3和全站仪1测出十字丝交点的坐标，再根据十字丝交点与立方镜中心点的位置关系解算出立方镜中心点的坐标。这样就建立起以立方镜中心为原点，与两个准直方向相平行，且过立方镜中心点P的两个方向为两个坐标轴方向，方向根据实地测量的需要自主定义，而第三个坐标轴满足右手法则的立方镜坐标系。

对立方镜的准直，还可以用来保存和恢复坐标系。在某一工件的精密安装测量中，主要是构建高精度的设备坐标系以及辅助立方镜坐标系，将设备坐标系保存在辅助立方镜坐标系中。构建工件立方镜坐标系及平面镜法线，求出工件与设备的关系，根据设计要求，将工件安装调节到指定的位置及方向。设备坐标系定义如下图所示。

设备坐标系的定义

设备坐标系中OY和OZ轴与下端框外表面相交，形成四条纵向框刻线称为象限线，从舱体底部向上看，按顺时针排列，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。

整个测量过程的关键就是精确的测量并建立设备坐标系，然后通过对工件辅助立方镜进行准直测量并建立立方镜坐标系，通过建立的测量坐标系来求出立方镜坐标系和设备坐标系的关系，这样，设备坐标系就可以通过辅助的立方镜坐标系随时的恢复出来。

结论

在立方镜准直过程中采用光学镜面准直，摆脱平移板准直的束缚，大大提高了准直的精度及速度。使用立方镜准直测量可以高精度、快速的建立及恢复设备坐标系。因此，立方镜准直测量在航空、航天、高精度制造行业中可提供更为广泛的应用。

初审：纪银晓

复审：宋启凡

终审：金君

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