工業(yè)測量系統(tǒng)

工業(yè)測量系統(tǒng)摘要:工業(yè)測量是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的主要組成部分，是測繪學(xué)科的重要分支。目前主要介紹了除經(jīng)緯儀外的五種工業(yè)測量系統(tǒng)包括全站儀極坐標(biāo)測量系統(tǒng)、坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及最新進(jìn)展。關(guān)鍵詞：工業(yè)測量系統(tǒng)；全站儀極坐標(biāo)測量系統(tǒng)；坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)；數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)；激光跟蹤測量系統(tǒng)；激光掃描測量系統(tǒng)1■前言隨著現(xiàn)在科技的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等的發(fā)展，在我們測繪領(lǐng)域出現(xiàn)了很多的技術(shù)創(chuàng)新。其中工業(yè)測量系統(tǒng)就是應(yīng)用廣闊、測量精度高、簡單方便的一種測量新技術(shù)。2.工業(yè)測量系統(tǒng)分類二十世紀(jì)八十年代開始，工業(yè)測量系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)所用的測量儀器的不同，可分為三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)、電子經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)、全站儀極坐標(biāo)測量系統(tǒng)、數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)等。2.1.三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)又包括了固定式的三坐標(biāo)測量機(jī)（如圖1）和便攜式的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)（如圖2）。三坐標(biāo)測量機(jī)是指在一個(gè)三維空間內(nèi)，能夠?qū)缀涡螤睢㈤L度等進(jìn)行測量的儀器，它是傳統(tǒng)通用三維坐標(biāo)測量儀器的代表，通過測頭沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)精確的坐標(biāo)測量。目前，通過計(jì)算機(jī)自動控制的運(yùn)用，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制測量機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。具有自動瞄準(zhǔn)定位的功能同時(shí)能按照預(yù)先編制好的程序自動完成全部測量和計(jì)算過程。其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、效率高、操作便捷、應(yīng)用廣；其不足■是屬于接觸式測量，對非剛體的測量誤差大，同時(shí)是固定的，只適合室內(nèi)作業(yè)， *適用性弱。因此，一般測繪單位已經(jīng)不配備這類儀器，只在工廠等生產(chǎn)單位使殘用。 -圖1坐標(biāo)式測量機(jī)便攜式-關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量機(jī)取代傳統(tǒng)的直尺/卷尺/測徑器/千分尺/深度計(jì)/直徑儀器/測隙規(guī)/厚薄規(guī)/柱形測孔規(guī)/顯示測徑器/圖1坐標(biāo)式測量機(jī)證的現(xiàn)代化檢測工具。圖2臂式三坐標(biāo)測量2.3全站儀測量系統(tǒng)特點(diǎn)：極坐標(biāo)法坐標(biāo)測量系統(tǒng)的儀器設(shè)站非常方便和靈活，測程較遠(yuǎn)，實(shí)際上在100m范圍內(nèi)的精度可達(dá)到士0.5mm左右，因此特別適用于鋼架結(jié)構(gòu)測量和造船工業(yè)等中等精度要求的情況發(fā)展：早在1990年之前，瑞士Leica二公司就推出了商業(yè)化系統(tǒng)PCMSplus，其全站儀采用TC2002，測角精度為0.5”測距標(biāo)稱精度為1mm+lpp。用掌上計(jì)算機(jī)配合微機(jī)推出的一個(gè)產(chǎn)品為DCA-TCo其中DCP10軟件裝入掌上計(jì)算機(jī)用于控制TC2002進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和一般性處理，DCP20軟件運(yùn)行在微機(jī)上進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的綜合處理和分析。目前，被稱為測量機(jī)器人的帶自動照準(zhǔn)和自動識別目標(biāo)(ATR)技術(shù)的全站儀如圖己出現(xiàn)并廣為應(yīng)用(如圖3TDA5005)oLeica的構(gòu)成的系統(tǒng)在120米范圍內(nèi)使用精密角偶棱鏡(CCR)的測距精度能達(dá)到0.2mm;日本SOKKIA公司推出了MONMOS全站儀測量系統(tǒng)，采用NET1200全站儀在100圖3 米范圍內(nèi)對反射片測量精度優(yōu)于0.7mmo由于一般必須要有合作目標(biāo)(如棱鏡或反射片)才能測距，所以它無法直接測量目標(biāo)點(diǎn)測距固定誤差的存在，使其在短距離(<20m)測量時(shí)相對精度較低。現(xiàn)在已出現(xiàn)了無需棱鏡測距的全站儀Leica的TCR1101)，但測距精度均很低，低于3mm。2.4激光跟蹤測量系統(tǒng)工作原理：激光跟蹤測量系統(tǒng)的工作基本原理是在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量系統(tǒng)的所要解決的問題是靜態(tài)或動態(tài)地跟蹤一個(gè)在標(biāo)空間中運(yùn)動的點(diǎn)，同時(shí)確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。激光跟蹤儀的坐標(biāo)測量是基于極坐標(biāo)測量原理的。測量點(diǎn)的坐標(biāo)由跟蹤頭輸出的兩個(gè)角度，即水平角H和垂直角V，以及反射器到跟蹤頭的距離D計(jì)算出來的。本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中采用的一站法激光跟蹤測量系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理從以下幾個(gè)部分進(jìn)行討論:1）距離測量部分包括激光干涉法距離測量裝置和放置在被測物體上的逆反射器等。干涉測距是利用光學(xué)干涉法原理，通過測量干涉條紋的變化來測量距離的變化量。一般的干涉測距只能測量相對距離，如果激光束被打斷，則必須重新回到基點(diǎn)以重新初始化。最新研制的激光跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對距離的測量。2） 角度測量部分包括方位角和高度角的角度編碼器。3） 跟蹤控制部分包括控制器、力矩電機(jī)和位置監(jiān)測器。逆反射器反射回的光束經(jīng)過分光鏡時(shí)，有一部分光進(jìn)入位置檢測器，當(dāng)逆反射器移動時(shí)，這一部分光將會在位置探測器上產(chǎn)生一個(gè)偏移置，根據(jù)偏移值，位置檢測器輸出偏移信號至控制器控制力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動直到偏移值趨向零，從而達(dá)到跟蹤的目的。因此當(dāng)逆反射器在空間運(yùn)動時(shí)，激光跟蹤頭能一直跟蹤逆反射器。4）測量電路部分該部分用于讀出距離變化量和兩個(gè)編碼器的輸出脈沖數(shù)。與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動目標(biāo)的三維位置。圖5激光跟蹤測量原理圖特點(diǎn)：激光跟蹤測量系統(tǒng)（LaserTrackerSystem）是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量。發(fā)展概況：最新的激光跟蹤測量系統(tǒng)為Axyz-LTM，它的硬件為LT500/LTD500激光跟蹤儀（如圖6），其測量速度比SMART310快一倍，而LTD500為帶絕對測距儀的激光跟蹤儀，在測量信號遮擋后，絕對測距儀能及時(shí)測出絕對距離，保證跟蹤儀能繼續(xù)測量。

應(yīng)用實(shí)例：激光跟蹤儀在車床精度檢測中的應(yīng)用利用激光跟蹤儀精度高、測量范圍大、可進(jìn)行現(xiàn)場測量等優(yōu)點(diǎn)對一大型機(jī)床進(jìn)行現(xiàn)場檢測。機(jī)床誤差的監(jiān)測方法可以分為單項(xiàng)誤差測量和綜合誤差測量兩種，單項(xiàng)誤差測量就是檢測各項(xiàng)誤差的分量，而綜合誤差是檢測機(jī)床做圓插補(bǔ)運(yùn)動時(shí)的輪廓精度。一般來講，單項(xiàng)誤差測量更精確，其測量原理更簡單明了。因此，我們測量車床溜板箱上工作平臺在橫向（X軸）和縱向（Y軸）方向的移動直線度。被檢測車床為CW61140臥式車床，車身長一米車床工作臺在X軸向上移動的水平面直線度最大允許差為0.050mm，在Y軸方向上導(dǎo)軌方向移動時(shí)距離在（500mm,1000mm）內(nèi)的水平面直線度為0.030mm，以后每增加1000mm允許差增加0.020mm，但不能超過0.054mm。如圖所示為激光跟蹤測量儀用于生產(chǎn)現(xiàn)場車床檢測時(shí)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。-i_1.7軸f軸,7嗨測量技CW6)IP F臥式機(jī)床 ?'i根據(jù)檢測方案，具體方法為：使機(jī)床溜板箱工作臺分別沿X軸運(yùn)動和沿Y軸運(yùn)動。靶鏡固定在車床溜板箱工作平臺上，車床提供標(biāo)準(zhǔn)長度，激光跟蹤儀測出個(gè)點(diǎn)的空間位置，并擬合成直線，用CAM2measure軟件功能得出各段直線的水平面直線度。將靶鏡放置在第一個(gè)被測點(diǎn)A上利用激光跟蹤儀測量出極徑R與兩個(gè)方位角巧和1Hz，即可算出該被測點(diǎn)A】的空間坐標(biāo)（x，y，z）。在測出點(diǎn)A】后，根據(jù)臥式車床自帶的刻度以及車床的橫向和縱向行程范圍，確定X向進(jìn)給距離為6mm，Y向進(jìn)給距離為20mm，這樣靶鏡移動到第二點(diǎn)A的空間坐標(biāo)。依此步驟就可以測出100個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后利2用激光跟蹤儀自帶的軟件CAM2measure以A點(diǎn)為基準(zhǔn)，依次確定AA，^AA，???，1 12 12 3AA..…AA并擬合出一系列直線。用軟件對直線進(jìn)行分析，確定各段直線的水平1 2 N1N面直線度，并與機(jī)床的允差水平面直線進(jìn)行比較，依次確定車床是否滿足加工要求。工作臺沿X軸方向水平面直線度變化曲線

機(jī)康工作臺X方向常動工作臺沿Y軸方向水平面直線度變化曲線機(jī)床工作臺在"F如就方向轉(zhuǎn)動2.5激光掃描測量系統(tǒng)原理：由激光脈沖二極管發(fā)射的激光脈沖，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向目標(biāo)。然后通過探測器，接收并記錄反射回來的激光脈沖。激光束的垂直偏轉(zhuǎn)角（“線掃描”），是通過一個(gè)包含幾個(gè)反射表面的多面體來控制的。通過不斷改變和調(diào)整多棱鏡的旋轉(zhuǎn)速度，可以得到不同的高速掃描速度，并可按不同的垂直掃描角9進(jìn)行掃描，9最大可達(dá)到80°。激光束的垂直偏轉(zhuǎn)角（“線掃描”），是通過一個(gè)包含幾個(gè)反射表面的多面體來控制的。通過不斷改變和調(diào)整多棱鏡的旋轉(zhuǎn)速度，可以得到不同的高速掃描速度，并可按不同的垂直掃描角進(jìn)行掃描。如果想獲取慢的掃描速度或以小的掃描角進(jìn)行掃描，將多棱鏡進(jìn)行上下線性振蕩就行。而通過將光學(xué)面進(jìn)行360。圓周旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的全方位掃描。特點(diǎn):

實(shí)時(shí)、動態(tài)、主動性高密度、高度靈活性、高穩(wěn)定性無需和被測物體接觸，適應(yīng)性好可擴(kuò)展性發(fā)展概況：隨著數(shù)字地球和數(shù)字城市的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)獲取工具和手段的不斷進(jìn)步，促進(jìn)三維空間數(shù)據(jù)獲取朝集成化、實(shí)時(shí)化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，現(xiàn)實(shí)世界的立體信息快速地轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)將成為可能。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它采用非接觸式高速激光測量方式，完整并高精度地重建掃描實(shí)物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)。是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測繪技術(shù)革新，將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)入新的發(fā)展階段。長江科學(xué)院引進(jìn)了目前世界最先進(jìn)的三維激光掃描測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行水平360度、垂直80度、距離1200m范圍內(nèi)的快速掃描。通過直接與數(shù)碼相機(jī)及GPS的結(jié)合，能在幾分鐘內(nèi)獲取測量范圍內(nèi)的目標(biāo)詳盡的、高精度的三維地物地貌數(shù)據(jù)。(如圖10)圖10圖10圖11Lensphoto圖11Lensphoto軟件2.6數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)lensphoto是超越以往的近景攝影測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于攝影測量專家張祖勛院士最新提出的以計(jì)算機(jī)視覺原理(多基線)代替人眼雙目視覺(單基線)傳統(tǒng)攝影測量原理，從空間一個(gè)點(diǎn)由兩條光線交會的攝影測量基本法則變化為空間一個(gè)點(diǎn)由多條光線交會而成的全新概念，從而研發(fā)產(chǎn)生的一套全新的數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)。它能對普通單反數(shù)碼相機(jī)獲得的影像，完成從自動空三測量到測繪各種比例尺的線劃地

形圖(DLG)的生產(chǎn)，及對普通數(shù)碼相機(jī)所獲的近景影像完成三維重建，同時(shí)也可以作為直接由地面攝影的數(shù)字影像中獲取測繪信息的軟件平臺。它使近景攝影測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的巨大飛躍，并為其打開了巨大的應(yīng)用空間它不同于以往任何近景攝影測量系統(tǒng)，由于它是突破了傳統(tǒng)理論的新技術(shù)，因而具有強(qiáng)大的處理近景數(shù)據(jù)的能力，極高的精度，極強(qiáng)的功能，方便靈活及高度自動化，使過去不可能的事變成了可能！是一種高技術(shù)帶來的簡便，精確，可信的測量新手段，是一個(gè)應(yīng)用前景遠(yuǎn)大的測量新技術(shù)。(如下圖)圖12近景攝影測量突破性全新技術(shù)量新技術(shù)。(如下圖)圖12近景攝影測量突破性全新技術(shù)3.結(jié)束語本文主要是介紹了六種工業(yè)測量系統(tǒng)，分別從它們的原理、特點(diǎn)、發(fā)展、應(yīng)用進(jìn)行了分析。工業(yè)測量系統(tǒng)精度高、測量靈活等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)測量任務(wù)的多樣性