黃茜 李春雷 王長(zhǎng)亮

摘要：本文介紹了各種先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理、測(cè)量范圍、精度及其應(yīng)用，并對(duì)各種測(cè)量系統(tǒng)作出了對(duì)比。本研究為大尺寸測(cè)量選用數(shù)字化測(cè)量?jī)x器提供了參考。

關(guān)鍵詞：大尺寸 數(shù)字化 測(cè)量

1.前言

隨著我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在航天、航空、船舶制造等領(lǐng)域。尤其是大尺寸測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到大尺寸工件的加工和裝配過(guò)程中。采用先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)字控制等技術(shù)，完成對(duì)產(chǎn)品零部件的檢測(cè)，將大幅度提高企業(yè)生產(chǎn)制造水平與效率。

2.數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

目前，針對(duì)大尺寸空間三維測(cè)量先進(jìn)的數(shù)字化檢測(cè)手段有激光雷達(dá)、室內(nèi)IGPS、激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)、三維激光掃描儀測(cè)量系統(tǒng)、手持光筆三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)等。這些測(cè)量設(shè)備因測(cè)量原理不同，測(cè)量手段和測(cè)量范圍而不同。

2.1.激光雷達(dá)

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)是一種球坐標(biāo)系的測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)鏡子指向測(cè)量目標(biāo)來(lái)得出水平角和俯仰角，紅外激光測(cè)出距離，將球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)（直角坐標(biāo)系），轉(zhuǎn)換出被測(cè)量點(diǎn)的X、Y、Z的坐標(biāo)位置。采用類似與微波雷達(dá)測(cè)距原理方式進(jìn)行距離測(cè)量，是一種非接觸性的測(cè)距設(shè)備。它是由掃描頭、掃描頭支座、計(jì)算機(jī)、電源控制柜等組成。其最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)τ谝恍┨厥獠牧先纾簭?fù)合材料、塑料、纖維等、軟性材料、或超大尺寸無(wú)法接觸的工件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量范圍可達(dá)50m。

2.2.室內(nèi)IGPS測(cè)量系統(tǒng)

IGPS同樣是基于三角定位法的測(cè)量技術(shù)。它是由激光發(fā)射器、傳感器以及傳輸系統(tǒng)組成。由激光發(fā)射器發(fā)射出兩個(gè)呈扇形的激光面，這兩個(gè)激光扇面與垂直平面的夾角為30°和-30°，扇面的覆蓋范圍也為±30°。當(dāng)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)激光頭繞其軸線旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)光束在整個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)掃描。接收器接收到來(lái)自至少兩個(gè)發(fā)射器發(fā)出的角度信息即：一個(gè)仰角、一個(gè)方位角信息，利用時(shí)間差和三角形原理計(jì)算得出空間位置。

每個(gè)IGPS發(fā)射器的測(cè)量范圍是40m，任意數(shù)量的IGPS發(fā)射器可以用來(lái)組建連續(xù)的IGPS測(cè)量空間，其精度在靜態(tài)測(cè)量時(shí)可達(dá)到0.25mm，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量，并且無(wú)需轉(zhuǎn)站，具有360°的測(cè)量自由度。IGPS主要應(yīng)用與大尺寸工件的裝配和校準(zhǔn)、部件檢測(cè)和逆向工程，以及跟蹤和機(jī)器人控制等。

2.3.激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)包括：跟蹤部、激光跟蹤儀控制機(jī)、計(jì)算機(jī)、靶標(biāo)。跟蹤頭的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個(gè)軸，三軸相交的中心是測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)。激光跟蹤儀可以連續(xù)的瞄準(zhǔn)、跟蹤并確定由移動(dòng)或穩(wěn)定的發(fā)射目標(biāo)返回激光束的位置。激光跟蹤儀的測(cè)量范圍可以達(dá)到直徑≤60m，其精度為15μm+6μm/L。其主要應(yīng)用于在線檢測(cè)、大尺寸空間三維尺寸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2.4.三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)量激光脈沖從發(fā)出經(jīng)過(guò)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間（或者相位差）來(lái)計(jì)算距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)。其精度可以達(dá)到0.04mm，分辨率為0.05mm。主要用于復(fù)雜曲面、零部件、鈑金件、復(fù)雜裝配系統(tǒng)等相關(guān)的掃描檢測(cè)及逆向工程需求。

2.5.光筆便攜式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)

光筆便攜式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)采用先進(jìn)的照相測(cè)量技術(shù)與數(shù)字式圖像處理技術(shù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件檢測(cè)，光筆便攜式三坐標(biāo)系統(tǒng)可以避免測(cè)量時(shí)的“蛙跳”運(yùn)行和輔助起重設(shè)備，同時(shí)，保證了被測(cè)工件在車間現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境也可以準(zhǔn)確無(wú)誤測(cè)量。其單次采集測(cè)量范圍在4m，測(cè)量范圍可以利用攝影技術(shù)原理隨意擴(kuò)展，在7.8m3的測(cè)量范圍，體積精度為85μm。通過(guò)設(shè)置在工件上的靶標(biāo)點(diǎn)，在擴(kuò)展后的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)齊功能，精度并不受損失。

3.幾種數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的對(duì)比

以上五種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件、部件、總成等實(shí)時(shí)或在線尺寸檢測(cè)。其對(duì)比如下表：

測(cè)量設(shè)備 激光跟蹤儀 光筆三坐標(biāo) IGPS 激光雷達(dá) 激光掃描儀

測(cè)量范圍 直徑60m范圍內(nèi) 單次測(cè)量4m

（通過(guò)靶標(biāo)，測(cè)量范圍可擴(kuò)展） 每個(gè)IGPS發(fā)射器的測(cè)量范圍是40m，測(cè)量空間可以隨意擴(kuò)展 測(cè)量范圍（1-50）m 無(wú)局限，大小、內(nèi)外均可測(cè)量

測(cè)量精度 15μm+6μm/L 85μm in 7.8m3 0.25mm（靜態(tài)）

0.3mm（動(dòng)態(tài)） 2m時(shí)24μm

10m時(shí)102μm

30m時(shí)301μm 20μm+25μm/L

L=被測(cè)工件長(zhǎng)度（單位mm）

測(cè)量原理 激光干涉系統(tǒng)+圓光柵碼盤測(cè)角技術(shù) 先進(jìn)的照相測(cè)量技術(shù)與數(shù)字式圖像處理相結(jié)合 基于三角定位法的測(cè)量技術(shù) 非接觸式測(cè)量激光反射技術(shù) 非接觸式測(cè)量和數(shù)字化圖像處理技術(shù)

應(yīng)用 空間三維尺寸的測(cè)量 空間幾何尺寸形位公差的測(cè)量及部分隱藏點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量 實(shí)現(xiàn)大測(cè)量場(chǎng)、多工具、多用戶的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量 適合大尺寸工件非接觸式測(cè)量三維尺寸 適合外觀造型與設(shè)計(jì)改造、幾何尺寸及容差、逆向工程等

優(yōu)點(diǎn)

精度較高

便攜、可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

能夠測(cè)量超大型尺寸，實(shí)現(xiàn)建立一個(gè)測(cè)量場(chǎng)可以測(cè)量多個(gè)任務(wù)

對(duì)于高空測(cè)量點(diǎn)，無(wú)需人去測(cè)量

對(duì)于復(fù)雜曲面的測(cè)量，快速、高效

缺點(diǎn) 對(duì)于大尺寸的測(cè)量，需轉(zhuǎn)站，造成精度損失；對(duì)于高空測(cè)量點(diǎn)，操作不安全 對(duì)于≥8m的工件測(cè)量，操作較麻煩 測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，自動(dòng)化程度較低，且測(cè)量精度相對(duì)激光雷達(dá)較低 精度較激光跟蹤儀低 對(duì)于大尺寸測(cè)量，需要貼多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)

4.結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)正朝著便攜、網(wǎng)絡(luò)、精密、高效方向發(fā)展。數(shù)字化測(cè)量也從單一技術(shù)走向多傳感技術(shù)的融合，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)多傳感融合的數(shù)字化測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，為未來(lái)工廠的大尺寸測(cè)量提供了一種先進(jìn)的數(shù)字化解決手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭聯(lián)語(yǔ)等.大尺寸測(cè)量技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù).航空制造技術(shù)，2013.7

[2]林雪竹等.多傳感融合的飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量技術(shù).航空制造技術(shù)，2013.7

作者簡(jiǎn)介：

黃茜 女（1983--）山西長(zhǎng)治人 學(xué)歷：本科，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)， 主要從事先進(jìn)制造技術(shù)的推廣工作。