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2006年第10期68近十幾年來,由于激光、半導體、自動控制、計算機、精密制造及計量技術的迅速發(fā)展,在傳統(tǒng)的三坐標測量基礎上,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):三坐標測量機、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)。三坐標測量機是60年代發(fā)展起機械制造是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎,計量測試則是機械制造發(fā)展的先決條件之一。在大型機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,是保證整套設備質量的關鍵因素。因此,大尺寸空間測

2、量是現(xiàn)代大型機械制造業(yè)中亟待解決的關鍵技術之一,它涉及航空航天、冶金設備、造船工業(yè)、汽車制造、港口機械、探礦設備、電站設備、造紙印刷等諸多工業(yè)領域來的一種三維空間測量技術,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其技術已經(jīng)相當成熟。它作為一種高精度、高效率的大型測量儀器,已在制造領域得到廣泛應用。由于三坐標測量機的機械結構是三維正交的,受其結構的限制,不可能使測量范圍任意擴大。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,測量機的測量范圍一般小于8000mm ×4000mm ×3000mm,極個別的測量范圍可以達到12000mm ×6000mm ×5000mm,這種測量

3、機的造價極為昂貴。為了拓展空間測量范圍,就必須發(fā)展非正交式的機械結構。隨著制造技術水平的提高,要保證生產過程的質量,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所在的具有嚴格控溫的房間內,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測量機的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)學模型是已知的,所以被測目標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。該天津大學精儀學院吳曉峰張國雄現(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,主要從事精密測量與控制技術研究,先后承擔國防預研、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余篇三坐標測量機手持(便攜式測量系統(tǒng)NEW VIEWPOINT新視點 航空制造技術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,不需要用戶調整和維護;(2光筆:用碳素纖

5、維制成,上邊嵌有5個光源,共計500mm 長,內置有電路和1個快速鎖緊夾盤;(3計算機和軟件:能夠建立一個參考坐標系,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)可以不對準測尖,但必須要感知到光,因此,可以處理隱藏點。與一般坐標測量機相比,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)技術不斷創(chuàng)新與應用的不斷深入,尤其在產品開發(fā)領域、產品逆向工程領域及產

6、品質量檢測領域,針對大型復雜曲面的非接觸式三維測量技術變得越來越重要。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)內置有軟件控制的調焦功能,用戶可以根據(jù)被測物體的特點通過調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節(jié)可以利用高解像度模式進行測量;而對于物體表面上大部分的同類曲面則可以采用標準模式進行測量。(2變換測量區(qū)域后無需重新標定: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行重新標定,這就大大縮短了測量所需時間。(3現(xiàn)場標定:利用系統(tǒng)的標定板,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定。(4采用激光十字準針進行距離控制:使用者可通過內置在測量頭里的激光十字準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。該設備將激光干涉和伺服控制技術結合在一起,準確測量目標點相對于儀器的坐標位置。該系統(tǒng)的最大測量距離為60m,可實現(xiàn)對空間目標進行靜態(tài)與跟蹤測量,不需要導軌,適合現(xiàn)場加工裝配測量,主要用于大尺寸測量、準直以及適時裝配等。諸如對大型飛機、火箭、導彈等的外形輪廓進行測量

8、與裝配定位;大型精密復雜零件的表面掃描測量;運動仿真類設備的動態(tài)軌跡的跟蹤測量。坐標形式可以是球坐標、柱坐標或笛卡兒坐標。目前,生產激光跟蹤儀的有美國API 公司、Faro公司和德國Leica公司,其技術指標基本類同(如表1。在國內,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備的強大力量并為三維測量建立了新的標準。這是空間測量的一場革命?；趨^(qū)域GPS 的三維測量技術是一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內GPS系統(tǒng),主要用于解決大表1各公司生產激光跟蹤儀的性能指標三坐標測量機測量發(fā)動機試件可變焦數(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前位置。目前,室內GPS 系統(tǒng)所能達到的技術指標: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,測量精度為0.12mm;在39m 區(qū)域內,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)可允許多名技術人員手持傳感器獨立而并行地進行測量。室內GPS 系統(tǒng)主要由以下5部分組成:(1發(fā)射器:標準的室內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,每個傳感器(接收器在任何時候都應至少與3個發(fā)射器直接交換信息。因此,發(fā)射器的需求數(shù)量應當與工作場合相適應,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G P S 系統(tǒng)支持各種不同結構的傳感器,這是因為室內GPS系統(tǒng)能夠同時連續(xù)地讀取多個傳感器的坐標值。通常,要把傳感器安裝在工具、零件、裝配組件和大型構件上。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坐標值傳送給用戶。(3手持探頭:室內GPS 系統(tǒng)在工作區(qū)域內可以同時支持無數(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GPS系統(tǒng)都配有基于位置的服務器和手持式無線客戶軟件,這種軟件可以使能室內GPS系統(tǒng)的所有功能,包括計量軟件包。(5接收器電路:室內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,并把它們實時地轉換成可用于三角法數(shù)學計算的3D 坐標值。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GPS 測量技術,該系統(tǒng)已應用于從747到F/A18飛機整機的裝配線中,以解決大尺寸構件的測量問題,特別適合于大尺寸工件裝配、檢查和準直方面的應用。該系統(tǒng)已用于測量直徑為6.1m 的747機體段,747發(fā)動機加載到機翼時機翼端部的偏轉,以及翼梁弦的輪廓,測量長度達30.5m,要求測量精度為0.127mm,飛機的裝配精度為0.25mm。目前,室內GPS 測量系統(tǒng)在測量范圍大于3m 時的精度為±0.0