本发明属于精密测量，具体涉及一种球度误差与光洁度一体化测量装置及其测量方法。
背景技术：
1、在精密工程测量技术领域，摄影测量系统中回归反光球球心间距的准确度将直接影响参数标定的精度，进而影响摄影测量系统测量的准确度。其中，回归反光球的球度误差是影响球心间距测量准确度的主要因素。
2、公开号为cn110207615a、发明名称为“一种回归反光球光学球度测量装置”的发明专利，公开的技术方案为包括回归反光球、旋转托架、光源和成像模块。当回归反光球在旋转托架的带动下以通过自身圆心的转轴为转轴旋转一圈时，成像模块所成的图像将形成一个可反应回归反光球的光学球度误差的闭合曲线，为回归反光球光学球度提供了一种有效、可靠、实用的测量装置。但是使用光学成像的方式对球体连续拍照采样，虽然直观、高效且连续性强，但是装载球体时轴心若与旋转托架中轴有偏差，所产生的偏心量与回转误差造成的影响难以消除，且整球光学成像的方法所得的球度误差结果的精度必然有限。而且目前的球度测量方法难以做到对大尺寸球球度误差和光洁度的同步、连续、高精度测量。
技术实现思路
1、本发明要解决的问题是对大尺寸球球度误差和光洁度的同步、连续、高精度测量，提出一种球度误差与光洁度一体化测量装置及其测量方法。
2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
3、一种球度误差与光洁度一体化测量装置，由底座、气浮轴承、激光发射器、激光接收器、支架、待测气浮球组成，所述气浮轴承安装于底座的中心位置，所述待测气浮球置于气浮轴承上，所述激光发射器、激光接收器的个数为2个，所述支架的个数为4个；
4、所述激光发射器安装于支架上，所述支架安装于底座上，2个激光发射器对称的置于待测气浮球的两侧；
5、所述激光接收器安装于支架上，所述支架安装于底座上，1个激光发射器发射的激光被待测气浮球反射后再被同侧的1个激光接收器接收，形成2路工作光路。
6、进一步的，通过高压气体实现待测气浮球无重力、微摩擦地承载于气浮轴承上，并在气浮轴承上自由旋转，待测气浮球的中心始终保持与气浮轴承的中心重合。
7、一种球度误差与光洁度一体化测量方法，依托于所述的一种球度误差与光洁度一体化测量装置实现，包括如下步骤：
8、s1. 启动一种球度误差与光洁度一体化测量装置，然后基于两组工作光路的平面坐标系，以待测气浮球的球心为原点建立三维笛卡尔坐标系，并进行工作光路抖动误差处理；
9、s2. 在待测气浮球转动条件下，利用激光发射器的激光在待测气浮球上反射，采集球面上全部点的位置坐标数据，并提取球面上特定点的位置坐标数据，然后对采集的数据进行待测气浮球的姿态的控制误差补偿处理；
10、s3. 基于步骤s2处理后的球面上特定点的位置坐标数据进行插值处理，得到插值后的坐标数据集；
11、s4. 基于步骤s3得到的插值后的坐标数据集，计算球面误差；
12、s5. 基于步骤s2得到的处理后的球面上全部点的位置坐标数据，进行球面光洁度评价；
13、s6. 基于步骤s3得到的插值后的坐标数据集，构建待测气浮球的球面模型。
14、进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：
15、s1.1. 为气浮轴承通以高压气体；
16、s1.2. 将待测气浮球安装于气浮轴承上，控制气浮轴承的中心与待测气浮球的中心重合，然后开启激光发射器、激光接收器，调整激光发射器、激光接收器的高度，使激光发射到待测气浮球的赤道平面，实时监测激光在激光接收器平面的位置；
17、建立激光点在2个激光接收器上的平面坐标系分别为和，标记激光点坐标分别为和，初始状态下，记录激光点位置向量分别为和，并以球心为原点建立三维笛卡尔坐标系，将激光点位置坐标变换为激光照射在球上点的坐标；
18、s1.3. 设置2路工作光路分别产生1号激光点和2号激光点，通过更改激光发射角度，实现误差放大倍率的调整，当待测气浮球上激光点的位置变化为时，激光点变化距离为：
19、；
20、通过对称安装两组激光发射器、激光接收器进行实时同步采样，进行差动误差的消除，表达式为：
21、；
22、其中，,为1号激光点和2号激光点在第次采样时的位置向量；
23、激光点采样步长在纳秒级，在时间上连续且具有周期性，对激光点进行傅里叶级数展开用于得到各级谐波的振幅和频率，表达式为：
24、；
25、其中，为坐标差分值随时间变化的函数；分别为正弦和余弦项的振幅；分别表示正弦和余弦项的相角；为频率；表示次谐波，由此得到其各级谐波的振幅和频率，对系统抖动程度给出评价；
26、然后计算向量差分值实现测量结果的误差补偿，表达式为：
27、。
28、进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：
29、s2.1. 控制待测气浮球均匀旋转，设置特定点为纬度0°到90°步长15°递增时，在每个纬度下的经度由0°到180°步长15°递增时产生的交点，在待测气浮球旋转过程中，采集球面上全部点的位置坐标数据，并提取球面上特定点的位置坐标数据；
30、s2.2. 设置气浮轴承的轴心存在偏心量误差和回转误差，此时直接得到的坐标数据是含有误差的测量结果，在时间上看作一次谐波，故对其傅里叶变换，得到表达式为：
31、；
32、其中，为含有误差的测量结果在某角度下随时间变化的函数，分别为基波、正弦和余弦项的振幅，为角频率；表示次谐波；
33、对偏移处理消除，认为是绕轴旋转一周时该次旋转所采样的数据均值，同时分离偏心量带来的一次谐波误差，得到表达式为：
34、；
35、其中，,为气浮轴承的轴心在、方向的偏心量误差，为回转误差，为待测气浮球绕气浮轴承的轴心旋转的角度；
36、s2.3. 通过线性回归分析的方式对回转误差进行建模，将回转误差向量展开表示为，得到描述回转误差的损失函数的表达式为：
37、；
38、其中，为回转误差的损失函数，为第个测量点的坐标向量；
39、s2.4. 对步骤s2.3的公式进行求导数，令，得到，然后使用迭代的方式建立 s的数据进化模型，在损失函数的梯度方向迭代角度，表达式为：
40、；
41、其中，为模型学习率，为测量误差的损失函数对旋转角度的梯度；
42、随着迭代的进行对进行改进以实现测量结果的准确补偿。
43、进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：
44、s3.1. 对采集到的处理后的球面上特定点的位置坐标数据，先将第个处理后的球面上特定点的位置坐标数据转化为以待测球球心为原点的球面坐标系坐标，表达式为：
45、；
46、s3.2. 定义适合球面特性的插值函数，表达式为：
47、；
48、其中，为球面上两个测试点间的距离，为调节参数，为球面相邻两个测试点；为球的标称半径，为测试点的方位角坐标，为测试点的方位角坐标，为测试点的仰角坐标，为测试点的仰角坐标；
49、s3.3. 求解设定步长下的球面点坐标情况，进行全部数据点的扩充，表达式为：
50、；
51、其中，为待插值点的坐标向量，为第相邻点的权重系数，为第组球面上两个测试点间的距离。
52、进一步的，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：
53、s4.1. 定义第个测试数据点到球心的距离的表达式为：
54、；
55、其中，为待测球球心的距离坐标，为第个测试数据点的仰角坐标，为待测球球心的仰角坐标，为第个测试数据点的方位角坐标，为待测球球心的方位角坐标；
56、s4.2. 定义球体误差函数的表达式为：
57、；
58、其中，为第个测试数据点的距离坐标；
59、将球体误差函数和待测球半径和待测球球心坐标进行偏导并置零运算，得到微分方程组如下：
60、；
61、然后通过数值方法解上式得到待测球半径和待测球球心坐标，并计算球度误差，表达式为：
62、。
63、进一步的，步骤s5的具体实现方法为基于步骤s2采集的球面上全部点的位置坐标数据，进行数据处理对待测气浮球的表面光洁度进行评价，得到表达式为：
64、；
65、其中，为待测气浮球的表面光洁度，为 n个光洁度测试点向量差分值的平均值。
66、进一步的，步骤s6的具体实现方法包括如下步骤：
67、s6.1. 定义处理点云数据的神经网络，为3层神经网络，第1层为特征提取层，将所得点数据输入后，提取点集的特征，表达式为：
68、；
69、其中，为激活函数，分别为第1层的权重矩阵和偏置向量，输入数据为插值法得到的球面上均匀的多个点的坐标向量，为第1层的输出；
70、第2层为特征聚合层，将第1层的输入数据输入到第2层中，对局部特征进行特征聚合，使用最大池化操作得到第2层的输出特征，表达式为：
71、；
72、第3层为特征连接层，第2层输出的数据通过第3层，将特征与每个点的坐标数据连接融合，完成待测气浮球的球面数字建模，表达式为：
73、；
74、其中，表示每个点自身坐标数据与第二层特征融合后的信息，表示特征连接函数；
75、s6.2. 对步骤s6.1得到的待测气浮球的球面数字模型乘以旋转矩阵，得到旋转后的模型，对旋转前后的模型做模板匹配，取置信度最高时的旋转矩阵，的表达式为：
76、；
77、其中，为旋转轴向量，为旋转角度；
78、通过旋转矩阵处理，实现多次重复测量时，球处于相同的零位，便于待测气浮球在球度和光洁度评价后的修正与使用。
79、本发明的有益效果：
80、本发明所述的一种球度误差与光洁度一体化测量装置，采用气浮轴承承载大尺寸球体、为球体提供无重力、微摩擦的相对运动环境，使用激光反射的方式放大球体表面光洁度带来的影响，通过以气浮轴承轴心为轴对称安装激光发射、接收器的方式实现转轴回转误差的差动误差消除，并对误差建立数据进化模型，通过测试次数的迭代提高误差补偿的精度；定义一种插值方法以扩充测量点数据，提高测试精度和系统稳定性；通过建立待测球的球面数字模型，实现待测球零位的标定，并通过旋转矩阵的形式给出当前球体姿态；通过激光反射情况计算球度误差，并在球体旋转过程中同步评价表面光洁度。综上，本发明能对大尺寸球体实现高精度、无接触、高效便捷的球度误差与光洁度一体化测量。
1.一种球度误差与光洁度一体化测量装置，其特征在于，由底座（1）、气浮轴承（2）、激光发射器（3）、激光接收器（4）、支架（6）、待测气浮球（5）组成，所述气浮轴承（2）安装于底座（1）的中心位置，所述待测气浮球（5）置于气浮轴承（2）上，所述激光发射器（3）、激光接收器（4）的个数为2个，所述支架（6）的个数为4个；
2.根据权利要求1所述的一种球度误差与光洁度一体化测量装置，其特征在于，通过高压气体实现待测气浮球（5）无重力、微摩擦地承载于气浮轴承（2）上，并在气浮轴承（2）上自由旋转，待测气浮球（5）的中心始终保持与气浮轴承（2）的中心重合。
3.一种球度误差与光洁度一体化测量方法，依托于权利要求1-2之一所述的一种球度误差与光洁度一体化测量装置实现，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s4的具体实现方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s5的具体实现方法为基于步骤s2采集的球面上全部点的位置坐标数据，进行数据处理对待测气浮球的表面光洁度进行评价，得到表达式为：
9.根据权利要求8所述的一种球度误差与光洁度一体化测量方法，其特征在于，步骤s6的具体实现方法包括如下步骤：
