productpic_現(xiàn)代大尺寸空間測量方法

1、新視點NEW VIEWPOINT 航空制造技術(shù)2006年第10期68近十幾年來,由于激光、半導(dǎo)體、自動控制、計算機(jī)、精密制造及計量技術(shù)的迅速發(fā)展,在傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量基礎(chǔ)上,又發(fā)展了其他多種現(xiàn)代大尺寸空間測量方式,各有所長。目前,在大尺寸空間測量方面,可歸納為5種主要系統(tǒng):三坐標(biāo)測量機(jī)、手持(便攜式測量系統(tǒng)、可變焦數(shù)字照相測量系統(tǒng)、激光空間跟蹤測量儀和基于GPS 原理的空間測量系統(tǒng)。三坐標(biāo)測量機(jī)是60年代發(fā)展起機(jī)械制造是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),計量測試則是機(jī)械制造發(fā)展的先決條件之一。在大型機(jī)械裝備的制造及裝配過程中,大型工件的幾何尺寸和形位誤差的測量,是保證整套設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此,大尺寸空間測

2、量是現(xiàn)代大型機(jī)械制造業(yè)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一,它涉及航空航天、冶金設(shè)備、造船工業(yè)、汽車制造、港口機(jī)械、探礦設(shè)備、電站設(shè)備、造紙印刷等諸多工業(yè)領(lǐng)域來的一種三維空間測量技術(shù),經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。它作為一種高精度、高效率的大型測量儀器,已在制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于三坐標(biāo)測量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是三維正交的,受其結(jié)構(gòu)的限制,不可能使測量范圍任意擴(kuò)大。根據(jù)目前的加工能力、制造成本以及測量精度要求的限制,測量機(jī)的測量范圍一般小于8000mm ×4000mm ×3000mm,極個別的測量范圍可以達(dá)到12000mm ×6000mm ×5000mm,這種測量

3、機(jī)的造價極為昂貴。為了拓展空間測量范圍,就必須發(fā)展非正交式的機(jī)械結(jié)構(gòu)。隨著制造技術(shù)水平的提高,要保證生產(chǎn)過程的質(zhì)量,就必須考慮成本和效率。其中,洛克希德馬丁公司為了提高對JSF的檢測能力,對零件及配件采用Metronor 公司生產(chǎn)的一種便攜式測量系統(tǒng)。以前在測量大型零件時,都需將工件運到測量機(jī)所在的具有嚴(yán)格控溫的房間內(nèi),測量不僅費時費工,而且效率很低。而手持式三維測量儀成本僅是坐標(biāo)測量機(jī)的1/4,且不需搬動大型工件。手持式三維測量儀的工作原理是:用紅外線敏感的數(shù)碼相機(jī)觀察手持光筆上的發(fā)光二極管。手持式三維測量儀與發(fā)光二極管同步,并用多束光進(jìn)行空間定位,光筆的操作與檢測零件相接觸。光源嵌在光筆中

4、,因為精確的數(shù)學(xué)模型是已知的,所以被測目標(biāo)的尺寸與位置可以根據(jù)縮影到數(shù)碼成像傳感器上的狀況來確定測頭的空間位置。這種儀器內(nèi)置有連續(xù)自檢功能,可隨時檢查系統(tǒng)是否在正常運行。該天津大學(xué)精儀學(xué)院吳曉峰張國雄現(xiàn)代大尺寸空間測量方法吳曉峰:研究員,1982年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué),主要從事精密測量與控制技術(shù)研究,先后承擔(dān)國防預(yù)研、基金課題10余項,其中獲省部級科技成果二等獎3項,發(fā)表論文30余篇三坐標(biāo)測量機(jī)手持(便攜式測量系統(tǒng)NEW VIEWPOINT新視點 航空制造技術(shù)2006年第10期69系統(tǒng)主要有以下部件組成:(1數(shù)碼成像傳感器:是實現(xiàn)高精度測量的核心部件,不需要用戶調(diào)整和維護(hù);(2光筆:用碳素纖

5、維制成,上邊嵌有5個光源,共計500mm 長,內(nèi)置有電路和1個快速鎖緊夾盤;(3計算機(jī)和軟件:能夠建立一個參考坐標(biāo)系,并測量諸如點、線、面、球、孔、柱等簡單幾何要素,能自動生成測量報告;(4測尖:包括夾盤適配器,多種加長桿以及星形測尖,組合靈活。手持式三維測量儀最大的優(yōu)點是攜帶方便,制造成本低,可在現(xiàn)場方便地使用,不受空間限制,沒有確定的行程范圍。在操作過程中,數(shù)碼成像系統(tǒng)可以不對準(zhǔn)測尖,但必須要感知到光,因此,可以處理隱藏點。與一般坐標(biāo)測量機(jī)相比,可減少檢測時間60%70%(不包括工件搬運與裝載的時間。近些年來,隨著制造業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新與應(yīng)用的不斷深入,尤其在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域、產(chǎn)品逆向工程領(lǐng)域及產(chǎn)

6、品質(zhì)量檢測領(lǐng)域,針對大型復(fù)雜曲面的非接觸式三維測量技術(shù)變得越來越重要。通過可變焦數(shù)字照相測量系統(tǒng),利用白光邊緣投影法,物體表面可以通過非接觸方式獲得數(shù)字化點云數(shù)據(jù)。目前,這種測量系統(tǒng)屬測量效率最高、使用最方便的一種,其測量精度為20µm。除此之外,該系統(tǒng)還具有以下特點:(1多種解像度及變焦功能:該系統(tǒng)內(nèi)置有軟件控制的調(diào)焦功能,用戶可以根據(jù)被測物體的特點通過調(diào)整解像度來確定最佳的測量方法。也就是說,對于被測物體表面上重要的局部細(xì)節(jié)可以利用高解像度模式進(jìn)行測量;而對于物體表面上大部分的同類曲面則可以采用標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行測量。(2變換測量區(qū)域后無需重新標(biāo)定:與其他系統(tǒng)相比,使用可變焦功能可以任

7、意改變測量區(qū)域而不需要對測量頭進(jìn)行重新標(biāo)定,這就大大縮短了測量所需時間。(3現(xiàn)場標(biāo)定:利用系統(tǒng)的標(biāo)定板,可以在現(xiàn)場既快又可靠地完成系統(tǒng)的修正或者測量頭的標(biāo)定。(4采用激光十字準(zhǔn)針進(jìn)行距離控制:使用者可通過內(nèi)置在測量頭里的激光十字準(zhǔn)針輕松地控制測量頭和物體表面之間的距離。激光空間跟蹤測量是90年代后期發(fā)展起來的一種大尺寸高精度測量技術(shù)。該設(shè)備將激光干涉和伺服控制技術(shù)結(jié)合在一起,準(zhǔn)確測量目標(biāo)點相對于儀器的坐標(biāo)位置。該系統(tǒng)的最大測量距離為60m,可實現(xiàn)對空間目標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)與跟蹤測量,不需要導(dǎo)軌,適合現(xiàn)場加工裝配測量,主要用于大尺寸測量、準(zhǔn)直以及適時裝配等。諸如對大型飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等的外形輪廓進(jìn)行測量

8、與裝配定位;大型精密復(fù)雜零件的表面掃描測量;運動仿真類設(shè)備的動態(tài)軌跡的跟蹤測量。坐標(biāo)形式可以是球坐標(biāo)、柱坐標(biāo)或笛卡兒坐標(biāo)。目前,生產(chǎn)激光跟蹤儀的有美國API 公司、Faro公司和德國Leica公司,其技術(shù)指標(biāo)基本類同(如表1。在國內(nèi),尚未看到有激光跟蹤儀研制方面的報道。90年代,GPS 向世界展示了全球定位設(shè)備的強大力量并為三維測量建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。這是空間測量的一場革命。基于區(qū)域GPS 的三維測量技術(shù)是一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內(nèi)GPS系統(tǒng),主要用于解決大表1各公司生產(chǎn)激光跟蹤儀的性能指標(biāo)三坐標(biāo)測量機(jī)測量發(fā)動機(jī)試件可變焦數(shù)字照相測量系統(tǒng)激光空間跟蹤測量儀基于G P S 原理的空間測量

9、系統(tǒng)注:L 為測量長度,單位為m m 。新視點NEW VIEWPOINT 航空制造技術(shù)2006年第10期70尺寸空間的測量與定位問題。它利用發(fā)射器發(fā)出紅外光信號,接收器就能獨立地計算出它們的當(dāng)前位置。目前,室內(nèi)GPS 系統(tǒng)所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo):測量范圍280m;激光波長785nm;單次測量角精度<20;覆蓋空間水平290°,垂直3°操作溫度-1050;空間測量精度在10m 工作區(qū)域內(nèi),測量精度為0.12mm;在39m 區(qū)域內(nèi),測量精度為0.25mm。在測量精度方面,該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是,其測量誤差達(dá)到一定值后就不再隨著測量范圍的增大而增大,這一點與其他測量系統(tǒng)不同。所以,

10、室內(nèi)GPS 系統(tǒng)的全域測量精度優(yōu)于激光空間跟蹤測量儀。另外,這類測量系統(tǒng)可允許多名技術(shù)人員手持傳感器獨立而并行地進(jìn)行測量。室內(nèi)GPS 系統(tǒng)主要由以下5部分組成:(1發(fā)射器:標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)GPS系統(tǒng)配有4個計量型發(fā)射器,用于高精度計量。在工作范圍內(nèi),每個傳感器(接收器在任何時候都應(yīng)至少與3個發(fā)射器直接交換信息。因此,發(fā)射器的需求數(shù)量應(yīng)當(dāng)與工作場合相適應(yīng),以保證每個傳感器保持最少的在線測量要求。(2傳感器(3D智能靶鏡:室內(nèi)G P S 系統(tǒng)支持各種不同結(jié)構(gòu)的傳感器,這是因為室內(nèi)GPS系統(tǒng)能夠同時連續(xù)地讀取多個傳感器的坐標(biāo)值。通常,要把傳感器安裝在工具、零件、裝配組件和大型構(gòu)件上。一旦安裝好后,并保證同

11、時與3個發(fā)射器在線通信,那么這些傳感器將自動串行地把精確的3D坐標(biāo)值傳送給用戶。(3手持探頭:室內(nèi)GPS 系統(tǒng)在工作區(qū)域內(nèi)可以同時支持無數(shù)量限制的傳感器。為了手工測量方便,該系統(tǒng)還配備了多種5/6自由度的手持工具和探頭。(4系統(tǒng)軟件:每套室內(nèi)GPS系統(tǒng)都配有基于位置的服務(wù)器和手持式無線客戶軟件,這種軟件可以使能室內(nèi)GPS系統(tǒng)的所有功能,包括計量軟件包。(5接收器電路:室內(nèi)GPS系統(tǒng)要求每個傳感器連接到一個放大器和信號處理接收器電路板上。該板接收來自激光發(fā)射器的激光信號,并把它們實時地轉(zhuǎn)換成可用于三角法數(shù)學(xué)計算的3D 坐標(biāo)值。這些接收器板封裝在一個集線盒中,可以與18個傳感器連接。美國波音公司從1998年開始研究室內(nèi)GPS 測量技術(shù),該系統(tǒng)已應(yīng)用于從747到F/A18飛機(jī)整機(jī)的裝配線中,以解決大尺寸構(gòu)件的測量問題,特別適合于大尺寸工件裝配、檢查和準(zhǔn)直方面的應(yīng)用。該系統(tǒng)已用于測量直徑為6.1m 的747機(jī)體段,747發(fā)動機(jī)加載到機(jī)翼時機(jī)翼端部的偏轉(zhuǎn),以及翼梁弦的輪廓,測量長度達(dá)30.5m,要求測量精度為0.127mm,飛機(jī)的裝配精度為0.25mm。目前,室內(nèi)GPS 測量系統(tǒng)在測量范圍大于3m 時的精度為±0.0