三坐標(biāo)測量技術(shù)在鋁合金車體測量中的應(yīng)用

田亞鵬 董新華 漆宸瑄

摘要

近年來在中國鐵路運輸業(yè)，動車組技術(shù)得到迅速推廣和普及。動車組車體是由鋁合金型材焊接而成，本文總結(jié)鋁合金焊接技術(shù)、鋁合金車體技術(shù)中面臨的問題，并提出三坐標(biāo)測量技術(shù)在檢測鋁合金車體外形、定位尺寸檢測方面的應(yīng)用原理、應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：鋁合金車體；三坐標(biāo)測量技術(shù)

1.鋁合金車體技術(shù)

鋁合金車體技術(shù)是動車組核心技術(shù)之一。鋁合金材料具有密度低、強度高、塑性好、抗腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、機械制造等領(lǐng)域中大量應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前，世界先進國家的動車組，除法國的TGV電動車組車體為不銹鋼外，其余高速車均為鋁合金車體。

鋁合金車體技術(shù)具有重量輕、強度高、加工型和可焊性強的特點。近年來，我國引進的CRH2、CRH3、CRH5動車組及國產(chǎn)化動車組均采用鋁合金車體。隨著我國高速動車組技術(shù)的不斷發(fā)展及成熟，地鐵及城軌車輛大規(guī)模建設(shè)應(yīng)用。

鋁合金車體焊接通常分為車體大部件自動焊和總成自動焊，大部件自動焊接一般指車頂、地板、底架、側(cè)墻自動焊；總成自動焊接一般指側(cè)墻和車頂、側(cè)墻和底架連接焊縫自動焊。小部件焊接中，車鉤面板等關(guān)鍵部件也經(jīng)常使用機械手進行焊接。

鋁合金焊接過程中，技術(shù)性影響因素眾多，為對最終焊接尺寸質(zhì)量進行檢驗和控制，在鋁合金車體焊接調(diào)修后檢測階段引進三坐標(biāo)測量技術(shù)。

2.三坐標(biāo)測量技術(shù)原理

三坐標(biāo)測量技術(shù)有“測量中心”之稱，分為正交系坐標(biāo)測量系統(tǒng)與非正交系坐標(biāo)測量系統(tǒng)。正交系坐標(biāo)測量機從機座經(jīng)X、Y、Z軸到測頭，采用了串聯(lián)式多層結(jié)構(gòu)，測頭向空間任一點的移動是通過三根互相垂直的導(dǎo)軌平動實現(xiàn)的。受此約束，測頭的空間位置不靈活，限制了對空間任意曲面的測量柔性。上述結(jié)構(gòu)缺陷制約了正交坐標(biāo)測量機的進一步發(fā)展，限制了其在特殊、復(fù)雜零件測量中的應(yīng)用。為了根本解決正交系坐標(biāo)測量技術(shù)存在的不足，各種非正交系坐標(biāo)測量系統(tǒng)應(yīng)運而生并迅速發(fā)展起來。

與正交系坐標(biāo)測量機相比，非正交系坐標(biāo)測量機可以做得比較靈活，繞一個支點回轉(zhuǎn)，往往比讓一個部件沿直線導(dǎo)軌運動容易做得輕巧、靈活，更容易深入到直角坐標(biāo)系不易深入的部位中去，容易在較短時間內(nèi)采集到更多的數(shù)據(jù)，容易更方便地實現(xiàn)手動掃描測量。此外，非正交系坐標(biāo)測量機的測量空間開闊。這些都是非正交系坐標(biāo)測量機近年來獲得迅速發(fā)展的原因。

全站儀即全站型電子速測儀，是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的非正交系三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，并能與外轉(zhuǎn)設(shè)備交換住處的多功能測量儀器。它是測繪行業(yè)應(yīng)用最廣和最通用的一種“非正交系三坐標(biāo)測量機”。在中國北車CRH3型動車組鋁合金車體測量過程中得到了廣泛的應(yīng)用。

全站儀通過以機頭為原點，建立相應(yīng)的球坐標(biāo)系，如圖所示：

設(shè)點P（x，y，z）為空間內(nèi)一點，則點P也可以用這樣三個有次序的數(shù)r， φ，θ來確定，其中：

r為原點O與點P間的距離，即斜距；

φ為從正Z軸方向看自X軸按照逆時針方向轉(zhuǎn)到有向線段的角，這里的M點為點P在XOY平面上的投影。即水平角；

θ為有向線段與Z軸正向所夾的角，即垂直角。

這里r， φ，θ的變化范圍為：

r∈ [0， +∞）

φ∈[0，2π]

θ∈[0， π]

與直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式為：

全站儀通過激光測距方法測量斜距，利用光柵角度傳感器測量水平角及垂直角，通過球坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計算出測量點的空間位置。

3.三坐標(biāo)測量技術(shù)在鋁合金車體測量中的應(yīng)用

3.1.應(yīng)用過程

三坐標(biāo)測量技術(shù)在鋁合金車體測量過程中應(yīng)用主要為將各個關(guān)鍵尺寸拆解為同一坐標(biāo)系下測量點間關(guān)系，通過測量出各個測量點坐標(biāo)進行坐標(biāo)配準(zhǔn)換算后按照幾何特征對關(guān)鍵尺寸進行計算。具體過程如下：

3.1.1.物體數(shù)據(jù)化

利用電子儀器，即全站儀采集車體需測量尺寸的空間坐標(biāo)值。通過分析鋁合金車體技術(shù)文件及車體結(jié)構(gòu)，確定需要測量的關(guān)鍵尺寸，明確測量點位置并對測量點進行測量，通過空間定點將全站儀建立的球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為一直角坐標(biāo)系，將車體各個測量點坐標(biāo)建立在此坐標(biāo)系中，必要時進行轉(zhuǎn)站測量，進而確定各個測量點的坐標(biāo)值。

3.1.2.從采集的數(shù)據(jù)中完成三維測量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)

首先通過最小二乘法實現(xiàn)標(biāo)稱值匹配下的仿射變換，獲得初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)。進一步采用最優(yōu)擬合變換實現(xiàn)原有數(shù)據(jù)到初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的剛性變換。最終通過基于坐標(biāo)變換的參照測量點，通過相似變換對剛性變換下三維數(shù)據(jù)進行微小精度調(diào)整，通過7參數(shù)坐標(biāo)變換法最終完成鋁合金車體尺寸三維測量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

3.1.3.檢驗、分析三維尺寸

利用數(shù)據(jù)庫對配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照測量尺寸與測量點間對應(yīng)關(guān)系，進行計算分析，確定各個關(guān)鍵尺寸的測量值，確認(rèn)各尺寸是否存在質(zhì)量問題。

3.2.影響因素及解決方法

環(huán)境因素：其中由于利用非接觸測頭，采用激光測距方法，因此外界環(huán)境對測量精度影響最大。外界環(huán)境包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動、外界振動、儀器支架和被測物的穩(wěn)定性等。不同環(huán)境下得到的測量結(jié)果可能大相徑庭，在高精度測量中必須保證外部環(huán)境參數(shù)的平穩(wěn)性。車體經(jīng)過焊接后都存在著應(yīng)力，并且需要保證車體四角重量載荷均衡分配。因此測量底架時需要保證底架處于自然狀態(tài)，支撐面為平面。完成的車體及整備的車體則需要EKM稱重設(shè)備進行四角重量載荷調(diào)整。測量部件時環(huán)境平穩(wěn)，不允許在部件上施工。

操作者因素：由于儀器的高度自動化，對操作者經(jīng)驗、技巧的要求大為降低，但也需要正確操作。比如測量錯誤的測量點，把握反射片時手抖動或測量位置偏斜，測量過程中碰撞儀器支架

三坐標(biāo)測量技術(shù)在檢測鋁合金車體外形、定位尺寸方面精度高、操作簡便，具有無可比擬的優(yōu)勢。作者簡介：田亞鵬（1985-），河北省唐山市人，職務(wù)：質(zhì)量工程師。