现代大尺寸空间测量方法

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现代大尺寸空间测量方法

天津大学精仪学院　　吴晓峰　　张国雄

机械制造是国民经济发展的基础，　计量测试则是机械制造发展的先决条件之一。在大型机械装备的制造及装配过程中，　大型工件的几何尺寸和形位误差的测量，是保证整套设备质量的关键因素。因此，　大尺寸空间测量是现代大型机械制造业中亟待解决的关键技术之一，　它涉及航空航天、冶金设备、造船工业、汽车制造、港口机械、探矿设备、电站设备、造纸印刷等诸多工业领域

吴晓峰：研究员，１９８２年毕业于南京航空航天大学，主要从事精密测量与控制技术研究，先后承担国防预研、基金课题１０余项，其中获省部级科技成果二等奖３项，发表论文３０余篇

来的一种三维空间测量技术，　经过几十年的发展，　其技术已经相当成熟。它作为一种高精度、高效率的大型测量仪器，已在制造领域得到广泛应用。由于三坐标测量机的机械结构是三维正交的，　受其结构的限制，　不可能使测量范围任意扩大。根据目前的加工能力、制造成本以及测量精度要求的限制，测量机的测量范围一般小于８０００ｍｍ×４０００ｍｍ×３０００ｍｍ，极个别的测量范围可以达到１２０００ｍｍ×６０００ｍｍ×５０００ｍｍ，　这

为了提高对ＪＳＦ的检测能力，对零件及配件采用Ｍｅｔｒｏｎｏｒ公司生产的一种便携式测量系统。以前在测量大型零件时，都需将工件运到测量机所在的具有严格控温的房间内，测量不仅费时费工，而且效率很低。而手持式三维测量仪成本仅是坐标测量机的１／４，且不需搬动大型工件。手持式三维测量仪的工作原理是：用红外线敏感的数码相机观察手持光笔上的发光二极管。手持式三维测量仪与发光二极管同步，并用多束光进行空间定位，光笔的操作与检测零件相接触。光源嵌在光笔中，　因为精确的数学模型是已知的，所以被测目标的尺寸与位置可以根据缩影到数码成像传感器上的状况来确定测头的空间位置。

这种仪器内置有连续自检功能，可随时检查系统是否在正常运行。该

近十几年来，　由于激光、半导体、自动控制、计算机、精密制造及

计量技术的迅速发展，　在传统的三坐标测量基础上，　又发展了其他多种现代大尺寸空间测量方式，　各有所长。

目前，　在大尺寸空间测量方面，　可归种测量机的造价极为昂贵。

为了拓展空间测量范围，　就必须纳为５种主要系统：　三坐标测量机、

手持（便携）式测量系统、可变焦数字发展非正交式的机械结构。照相测量系统、激光空间跟踪测量仪和基于ＧＰＳ原理的空间测量系统。

手持（便携）式测量系统

随着制造技术水平的提高，要保

证生产过程的质量，就必须考虑成本和效率。其中，洛克希德・马丁公司

三坐标测量机

三坐标测量机是６０年代发展起68航空制造技术２００６年第１０期

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开发领域、产品逆向工程领域及产品质量检测领域，针对大型复杂曲面的非接触式三维测量技术变得越来越重要。通过可变焦数字照相测量系统，利用白光边缘投影法，物体表面可以通过非接触方式获得数字化点云数据。目前，　这种测量系统属测量效率最高、使用最方便的一种，其测量精度为２０µｍ。

除此之外，　该系统还具有以下特点：

（１）　多种解像度及

三坐标测量机测量发动机试件

物体表面之间的距离。

激光空间跟踪测量仪

激光空间跟踪测量是９０年代后

期发展起来的一种大尺寸高精度测量技术。该设备将激光干涉和伺服控制技术结合在一起，准确测量目标点相对于仪器的坐标位置。

该系统的最大测量距离为６０ｍ，可实现对空间目标进行静态与跟踪测量，不需要导轨，适合现场加工装配测量，主要用于大尺寸测量、准直以及适时装配等。诸如对大型飞机、火箭、导弹等的外形轮廓进行测量与装配定位；大型精密复杂零件的表面扫描测量；运动仿真类设备的动态轨迹的跟踪测量。坐标形式可以是球坐标、柱坐标或笛卡儿坐标。

目前，　生产激光跟踪仪的有美国ＡＰＩ公司、Ｆａｒｏ公司和德国Ｌｅｉｃａ公司，其技术指标基本类同（如表１）。在

系统主要有以下部件组成：

（１）　数码成像传感器：是实现高精度测量的核心部件，不需要用户调整和维护；

（２）　光笔：用碳素纤维制成，上边嵌有５个光源，共计５００ｍｍ长，内置有电路和１个快速锁紧夹盘；

（３）　计算机和软件：能够建立一个参考坐标系，并测量诸如点、　线、面、球、孔、柱等简单几何要素，能自动生成测量报告；

（４）　测尖：包括夹盘适配器，多种加长杆以及星形测尖，组合灵活。

手持式三维测量仪最大的优点是携带方便，制造成本低，可在现场方便地使用，　不受空间限制，没有确定的行程范围。在操作过程中，数码成像系统可以不对准测尖，但必须要感知到光，因此，可以处理隐藏点。与一般坐标测量机相比，可减少检测时间６０％～７０％（不包括工件搬运与装载的时间）。

变焦功能：该系统内置有软件控制的调焦功

能，用户可以根据被测物体的特点通过调整解像度来确定最佳的测量方法。也就是说，对于被测物体表面上重要的局部细节可以利用高解像度模式进行测量；而对

表１　　各公司生产激光跟踪仪的性能指标

于物体表面

上大部分的同类曲面则可以采用标

注：Ｌ为测量长度，单位为ｍｍ。

准模式进行测量。

（２）　变换测量区域后无需重新标定：与其他系统相比，使用可变焦功能可以任意改变测量区域而不需要对测量头进行重新标定，这就大大缩短了测量所需时间。

（３）　现场标定：利用系统的标定板，可以在现场既快又可靠地完成系统的修正或者测量头的标定。

（４）　采用激光十字准针进行距离控制：使用者可通过内置在测量头里的激光十字准针轻松地控制测量头和

国内，　尚未看到有激光跟踪仪研制方面的报道。

基于ＧＰＳ原理的空间测量系统

９０年代，　ＧＰＳ向世界展示了全球定位设备的强大力量并为三维测量建立了新的标准。这是空间测量的一场革命。

基于区域ＧＰＳ的三维测量技术是一种具有高精度、高可靠性和高效率的室内ＧＰＳ系统，主要用于解决大

２００６年第１０期航空制造技术

可变焦数字照相测量系统

近些年来，随着制造业技术不断

创新与应用的不断深入，尤其在产品

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（５）　接收器电路：室内ＧＰＳ系统要求每个传感器连接到一个放大器和信号处理接收器电路板上。该板接收来自激光发射器的激光信号，并把它们实时地转换成可用于三角法数学计算的３Ｄ坐标值。这些接收器板封装在一个集线盒中，可以与１～８个传感器连接。

美国波音公司从１９９８年开始研究室内ＧＰＳ测量技术，该系统已应用于从７４７到Ｆ／Ａ１８飞机整机的装配线中，以解决大尺寸构件的测量问题，特别适合于大尺寸工件装配、检查和

准直方面的应用。该系统已用于测量直径为６．１ｍ的７４７机体段，７４７发动

激光空间跟踪仪现场测量示意图

机加载到机翼时机翼端部的偏转，以

的需求数量应当与工作场合相适应，及翼梁弦的轮廓，测量长度达３０．５ｍ，以保证每个传感器保持最少的在线测量要求。

（２）　传感器（３Ｄ智能靶镜）：　室内ＧＰＳ系统支持各种不同结构的传感

要求测量精度为０．１２７ｍｍ，飞机的装配精度为０．２５ｍｍ。目前，室内ＧＰＳ测量系统在测量范围大于３ｍ时的精度为±０．０９ｍｍ。

尺寸空间的测量与定位问题。它利用发射器发出红外光信号，接收器就能独立地计算出它们的当前位置。

目前，　室内ＧＰＳ系统所能达到的技术指标：

测量范围　　２～８０ｍ；激光波长　　７８５ｎｍ；单次测量角精度　　＜２０″；覆盖空间　　水平２９０°，垂直３°；操作温度　　－１０～５０℃；

空间测量精度　　在１０ｍ工作区　　域内，测量精度为０．１２ｍｍ；　　在３９ｍ区域内，测量精度为　　０．２５ｍｍ。

在测量精度方面，　该系统的最大优点是，　其测量误差达到一定值后就不再随着测量范围的增大而增大，　这一点与其他测量系统不同。所以，　室内ＧＰＳ系统的全域测量精度优于激光空间跟踪测量仪。另外，　这类测量系统可允许多名技术人员手持传感器独立而并行地进行测量。

室内ＧＰＳ系统主要由以下５部分组成：

（１）　发射器：　标准的室内ＧＰＳ系统配有４个计量型发射器，用于高精度计量。在工作范围内，每个传感器（接收器）在任何时候都应至少与３个发射器直接交换信息。因此，发射器

70航空制造技术２００６年第１０期

器，这是因为室内ＧＰＳ系统能够同时室内ＧＰＳ测量系统的发射器包

连续地读取多个传感器的坐标值。通含两个转动的激光器，　每个接受器计常，　要把传感器安装在工具、零件、算出相对发射器的垂直和水平角并根装配组件和大型构件上。一旦安装好据这些数据来确定它的位置。对传统后，并保证同时与３个发射器在线通信，那么这些传感器将自动串行地把精确的３Ｄ坐标值传送给用户。

（３）　手持探头：　室内ＧＰＳ系统在工作区域内可以同时支持无数量限制的传感器。为了手工测量方便，该系统

还配备了多种５／６自由度的手持工具和探头。

（４）　系统软件：每套室内ＧＰＳ系统都配有基于位置的服务器和手持式无线客户软件，这种软件可以使能室内ＧＰＳ系统的所有功能，包括计量软

件包。

发射器

的经纬仪而言，　用户在某一时刻只能

接收器

测量一个目标，　它是一个串行的测量工具，　而室内ＧＰＳ测量系统能够同时测量２５个目标。每个接受器读出它自己的垂直和水平角，　因此它是一种快速的串行测量工具。

（责编　　根山）