大尺寸數(shù)字化測量技術(shù)的研究和比較

黃茜 李春雷 王長亮

摘要：本文介紹了各種先進的數(shù)字化測量系統(tǒng)的測量原理、測量范圍、精度及其應(yīng)用，并對各種測量系統(tǒng)作出了對比。本研究為大尺寸測量選用數(shù)字化測量儀器提供了參考。

關(guān)鍵詞：大尺寸 數(shù)字化 測量

1.前言

隨著我國先進制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化測量技術(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程中。采用先進的數(shù)字化測量設(shè)備，通過計算機、傳感器、數(shù)字控制等技術(shù)，完成對產(chǎn)品零部件的檢測，將大幅度提高企業(yè)生產(chǎn)制造水平與效率。

2.數(shù)字化測量技術(shù)

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

2.1.激光雷達(dá)

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

2.2.室內(nèi)IGPS測量系統(tǒng)

IGPS同樣是基于三角定位法的測量技術(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)射出兩個呈扇形的激光面，這兩個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)，這兩個光束在整個測量區(qū)域內(nèi)掃描。接收器接收到來自至少兩個發(fā)射器發(fā)出的角度信息即：一個仰角、一個方位角信息，利用時間差和三角形原理計算得出空間位置。

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

2.3.激光跟蹤儀測量系統(tǒng)

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)包括：跟蹤部、激光跟蹤儀控制機、計算機、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軸，三軸相交的中心是測量坐標(biāo)系的原點。激光跟蹤儀可以連續(xù)的瞄準(zhǔn)、跟蹤并確定由移動或穩(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、大尺寸空間三維尺寸的靜態(tài)和動態(tài)測量。

2.4.三維激光掃描測量系統(tǒng)

三維激光掃描測量系統(tǒng)本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi)，通過兩個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被測區(qū)域，測量激光脈沖從發(fā)出經(jīng)過被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時間（或者相位差）來計算距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度，最后計算出激光點在被測物體上的三維坐標(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)的掃描檢測及逆向工程需求。

2.5.光筆便攜式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)

光筆便攜式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)采用先進的照相測量技術(shù)與數(shù)字式圖像處理技術(shù)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件檢測，光筆便攜式三坐標(biāo)系統(tǒng)可以避免測量時的“蛙跳”運行和輔助起重設(shè)備，同時，保證了被測工件在車間現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境也可以準(zhǔn)確無誤測量。其單次采集測量范圍在4m，測量范圍可以利用攝影技術(shù)原理隨意擴展，在7.8m3的測量范圍，體積精度為85μm。通過設(shè)置在工件上的靶標(biāo)點，在擴展后的測量范圍內(nèi)，測量系統(tǒng)實現(xiàn)自動對齊功能，精度并不受損失。

3.幾種數(shù)字化測量技術(shù)的對比

以上五種數(shù)字化測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對工件、部件、總成等實時或在線尺寸檢測。其對比如下表：

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

測量范圍 直徑60m范圍內(nèi) 單次測量4m

（通過靶標(biāo)，測量范圍可擴展） 每個IGPS發(fā)射器的測量范圍是40m，測量空間可以隨意擴展 測量范圍（1-50）m 無局限，大小、內(nèi)外均可測量

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

0.3mm（動態(tài)） 2m時24μm

10m時102μm

30m時301μm 20μm+25μm/L

L=被測工件長度（單位mm）

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

應(yīng)用 空間三維尺寸的測量 空間幾何尺寸形位公差的測量及部分隱藏點，實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)測量 實現(xiàn)大測量場、多工具、多用戶的靜態(tài)、動態(tài)測量 適合大尺寸工件非接觸式測量三維尺寸 適合外觀造型與設(shè)計改造、幾何尺寸及容差、逆向工程等

優(yōu)點

精度較高

便攜、可以實現(xiàn)動態(tài)測量。

能夠測量超大型尺寸，實現(xiàn)建立一個測量場可以測量多個任務(wù)

對于高空測量點，無需人去測量

對于復(fù)雜曲面的測量，快速、高效

缺點 對于大尺寸的測量，需轉(zhuǎn)站，造成精度損失；對于高空測量點，操作不安全 對于≥8m的工件測量，操作較麻煩 測量準(zhǔn)備時間長，自動化程度較低，且測量精度相對激光雷達(dá)較低 精度較激光跟蹤儀低 對于大尺寸測量，需要貼多個目標(biāo)點，測量準(zhǔn)備時間較長

4.結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭聯(lián)語等.大尺寸測量技術(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.多傳感融合的飛機數(shù)字化測量技術(shù).航空制造技術(shù)，2013.7

作者簡介：

黃茜 女（1983--）山西長治人 學(xué)歷：本科，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化，研究方向：先進制造技術(shù)， 主要從事先進制造技術(shù)的推廣工作。