做家：何学军

高档工程师，航空产业计量优点度协商室主任，国度计量准则甲第考评员，寰宇光伏专用计量工具计量技能委员会委员。紧要从事好多量计量测试技能及仪器协商，把持完竣了大型机关件数控加工在位计量探测技能、锥度校准技能等协商项目，从业二十年以来，参加几十项科研项目，把持草拟2部行业典范，参加编写课本1部。

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何学军.好多量数字化衡量法子与设备的近况及进展趋向[J].计测技能，,41（2）：35-40.

好多量数字化衡量法子与设备的近况及进展趋向

何学军（航空产业北京长城计量测试技能协商所）

　　撮要：好多量数字化衡量法子与衡量设备的进展对创造业影响深切，跟着衡量职责的百般化与繁杂化，对好多量数字化衡量法子与衡量设备的请求越来越高。本文以现有的典范衡量系统为例，按照传感单位办事旨趣的不同对这些衡量系统停止了分类，离别先容了激光跟踪仪、激光雷达、激光跟踪过问仪、挪动空间坐标衡量系统、室内GPS、数字照相衡量系统的数学模子、办事旨趣、紧要参数，并先容了各衡量系统的紧要代表性产物、运用周围和当前的控制性。以此为底子，连接衡量设备的主动化、数字化和智能化进表近况和今朝现场处境下的繁杂衡量职责需求，提议了衡量参量由简单参数衡量向多参数衡量进展、衡量对象由单点衡量向点云衡量进展、衡量方法由静态衡量向动态衡量进展、衡量计划由单衡量系统自力完竣向多衡量系统协同管理方位进展四项进展趋向，并适应进展趋向提议响应的管理计划，为创造业周围中好多量数字化衡量法子与衡量设备的抉择供给参考。

　　关键词：衡量与衡量设备;数字化;智能化;统一衡量计划

0引言

　　“华夏创造”进展计谋对高端设备创造业的品质提议了很高请求。为抬高产物品质，除了提拔材料机能和加工技能外，还需求提拔产物的衡量才能［1-2］。跟着数字化、智能化、主动化衡量技能与衡量设备的进展，呈现了更多的周详衡量技能以满意高端设备产物全寿命周期的品质评估需求。当前，越来越多的好多量数字化衡量系统已做为产物探测的急迫步骤融入高端设备创造临盆线，并已成为大型设备创造业中品质保证的急迫技能及不成或缺的部份［3-5］。跟着衡量职责和衡量需求日趋繁杂化，好多量衡量设施和设备在创造业中的名望越来越关键，越来越多的新式好多量衡量系统被渐渐运用于大型设备创造业中，以管理不同的品质探测和经过管制题目［6-7］。为了满意创造业格外是大型设备创造业对好多量数字化衡量法子与设备的危急需求，本文对当前紧要的好多量衡量系统的机能及技能目标停止剖析，举例论述其运用特点，在此底子上归纳好多量衡量法子及设备的进展趋向，并提议响应的管理计划。

1好多量衡量系统进表近况

　　百般好多量衡量系统进展于今，多数完结了数据搜集的数字化、数据剖析及管教的智能化，并均具备与外部设施衔接的通讯接口和数据模块，做为一个不成或缺的部份融入到产物的全性命周期和全溯源链中［8-9］。本文遵从衡量系统传感单位的不同，将好多量数字化衡量系统分为基于间隔与角度合并的衡量系统、基于间隔交汇旨趣的衡量系统、基于角度交汇旨趣的衡量系统三大类，底下离别停止先容。

　　1.1基于间隔与角度合并的数字化衡量系统

　　基于间隔与角度合并的数字化衡量系统的办事旨趣为：以一个间隔值和两个角度值做为观衡量，建树球坐标系，进而完结空间中的点位坐标衡量。这类设施的典范代表囊括激光跟踪仪、激光雷达等。

　　1.1.1激光跟踪仪

　　当前，海外的激光跟踪仪以Leica，API和Faro三家公司的产物为主，个中，Leica研发的激光跟踪仪产物在国内攻下最大墟市。国内的激光跟踪仪中，中图公司研发的激光跟踪仪旨趣样机最具代表性，不过其机能和现实运用成绩与海外老练产物尚存在必然差异。激光跟踪仪具备衡量控制大、办事效率高、衡量精度高、可支撑软件系统二次开采、也许进做为态衡量等益处，已精深运用于飞机、航天器等大型设备的部件尺寸探测及大型压缩场衡量中。Leica研发的ATS型激光跟踪仪最大极限衡量速度可达点/秒，也许完竣做为目对象监测，最大跟踪速度可达6m/s;其静态衡量目标为：空间点坐标衡量谬误定度可达（15+6L）μm，可经过软件直接对被测工件的形位差错和尺寸差错停止评估和剖析，满意不同衡量职责的需求［10］。行使激光跟踪仪停止飞陷阱键部件尺寸公役探测的办事现场图如图1所示。

　　1.1.2激光雷达

　　激光雷达是一种面向大空间的扫描类衡量系统，也许高效率地对被测物体表面停止非来往直接扫描衡量，构成面向特色的点云数据。当前海外的激光雷达以尼康公司的产物为主，国内的激光雷达中，航天所研发的响应样机最具代表性。激光雷达可对金属、复合材料等多种表面停止表面衡量，具备很好的适应性（可适应高亮反射、漫反射和百般细致表面），当前已精深运用于航空整机及部件衡量、航天卫星形状表面衡量等周围。尼康公司临盆的MV型激光雷达的紧要技能目标为：最大衡量间隔可达50m，采纳东西光球法衡量时，单点点位衡量谬误定度为10μm/m，最大扫描速度点/秒，俯仰角衡量控制为±45°，水准角衡量控制为°。激光雷达的卓绝上风在于它的扫描特点，它也许按照产物模子停止扫描路途筹办，完结主动扫描，极地面抬高了扫描效率，因而在飞机、航天器、船舶、天线等大型曲面表面衡量周围具备广漠的运用前程。海外运用激光雷达对波音飞机停止表面衡量的办事现场图如图2所示。

　　1.2基于间隔交汇旨趣的数字化衡量系统

　　间隔治理衡量法因此简单测距单位做为衡量节点，以间隔值做为观衡量完结坐标衡量的法子，其紧要代表性仪器是激光跟踪过问仪衡量系统。针对挪动空间坐对象衡量可采纳超声测距法，其旨趣与间隔治理衡量法宛如，但精度较低［11］。

　　1.2.1激光跟踪过问仪衡量系统

　　当前大尺寸测距法子中运用最精深的是激光测距法［12］。徕卡的u-base激光测距模块在m控制内的衡量差错不高于±0.5μm。国内多家协商机构根据多边衡量旨趣建树了坐标衡量法子，不过终究的老练贸易产物惟独etalon（当前已被海克斯康购买）研发的LaserTracer系统，其标称测距精度可达0.2μm+0.3μm/m，并已研发出多个晋级系列型号。激光跟踪过问仪衡量系统由起码4个激光过问仪基站、广角衡量对象、管制器、处境景象站、核心机算机构成。激光过问仪基站具备高精度二维转台机关，也许保证较高的定型精度，因而可完结多台基站对统一目对象定位衡量，并也许保证建树的多边治理算法的精度。激光过问仪可运用于大型基准管制网及多轴加工设施的校准，也可用于对数控机床停止多自在度校准。激光跟踪过问仪衡量系统如图3所示。

　　1.2.2挪动空间坐标衡量系统

　　挪动空间坐标衡量系统（MobileSpatialcoordinateMeasuringSystem，MScMS）由都灵理工大学产业计量与品质试验室研发，该系统紧要囊括超声发射基站、手持探针与PC打算机。超声基站布设在办事空间内组网衡量网络，手持探针包罗两个超声接受器用以接受基站记号，行使超声测距旨趣观察每个基站的超声发射器与探针上超声接受器之间的间隔，在起码得到四个基站的间隔观衡量后，可解算手持探针的顶端三维坐标值。一齐超声基站经过蓝牙将数据传输至PC打算机停止解算。MScMS的上风在于便携性好、可增添性强、成本低，毛病是衡量精度较低。

　　1.3基于角度交汇旨趣的数字化衡量系统

　　角度交汇旨趣是指：在空间内至罕有两个点的地方已知，待求点到两个已知点的水准角度和笔直角度都可衡量得到，按照多个角度交汇关连便可打算得出待求点的空间坐标。采纳这类旨趣的典范仪器囊括照相衡量系统、室内GPS等。

　　1.3.1室内GPS

　　室内GPS是一种基于光电定位的大空间、多站位衡量系统，由基站、接受器、前端管教器、核心机算机和准则尺等部份构成。基站可发射两束回旋激光记号，同时每隔牢固周期发射锥度激光记号，接受器完竣三组激光记号的搜集，以后经过前端管教器完竣接受器到发射站的空间水准角和笔直角的解算，当接受器接受到起码两个基站记号后，便可经过前端管教器的无线通讯模块将打算得出的空间角度发送给核心机算机，核心机算机经过角度交汇旨趣完竣空间坐标解算［13］。同时核心机算机上的衡量软件还可完竣繁杂衡量职责筹办、衡量数据剖析等职责。室内GPS的上风在于也许经过增添衡量基站的数目增添衡量量程，且衡量精度不受太大影响。当前，海外的室内GPS紧要有Nikon临盆的iSpace系列产物，国内的室内GPS紧要有天津大学自助研发的wMPS型产物，且已运用于多个主机场面。当前，室内GPS紧要用于大部件对接经过监控、智能创造经过全部空间衡量网的建树等，其全空间衡量差错不高于±0.2mm。室内GPS机关示妄念如图4所示，发射站在办事空间内发射激光记号，接受器接受不同发射站的记号后将记号传输至核心机算机，核心机算机对记号停止领会，打算得出空间地方，进而完竣点位坐标衡量。图5为室内GPS运用于飞机总装现场的安排图。

　　1.3.2数字照相衡量系统

　　数字照相衡量系统经过数字相机拍照相片，行使图象管教技能获得目对象好多特色等参数，属于远景照相衡量技能界限，已精深运用于飞机、航天器的磨具、型面衡量等周围。数字照相衡量经过示妄念如图6所示，首先行使数字照相技能将三维场景变换为二维图象，而后经过一系列的图象管教算法将二维图象复原为三维场景，以后索取感乐趣的关键特色进而完竣衡量经过。数字照相衡量系统可分为采纳单相机挪动多站位的单相机衡量系统和采纳多组相机牢固式的在线衡量系统。单相机衡量系统的衡量对象紧要为停止对象，在多个地方对被测对象停止衡量，经过编码点断定共通基准，经图象管教得到终究衡量了局。多相机衡量系统采纳空间组网的方式（可采纳基准尺或基准场组网），以多个相机的空间地方做为外参数，解算空间标识点位坐标。多相机衡量系统经过量相机的硬触发保证图象的时刻性，可针对做为对象进做为态衡量。

　　当前，海外GSI，AICON3D，GOM等公司均研发了数字照相衡量系统，国内辰为、天远等公司也研发出了相像的产物。当前，数字照相衡量技能正向着高速照相衡量的方位进展，系统的效率、动态机能和精度将抵达更高水准。高速照相衡量系统可运用于点燃、爆炸、动态形变等瞬态经过的图象监控周围，譬喻NDI公司研发的OptotrakCertus照相衡量系统（如图7所示）当前已精深应于汽车做为衡量、飞机大型机关件动态强度变形量衡量等周围，该系统衡量速度也许抵达帧率，至多支撑个标帜点同时衡量，具备很高的衡量效率，系统差错不高于±0.1mm，分辩力为0.01mm。

2好多量衡量法子与设备进展趋向

　　跟着数字化、智能化和网络消息化等技能的进展，在大数据剖析及管教技能的推进下，当前好多量衡量系统及衡量设备均向着面向对象、面向职责的方位进展，并在产业创造产物的全性命周期中表现着越来越急迫的效用。跟着创造业的进展，对好多量衡量设备的衡量精度、衡量效率、衡量安定性和现场适应性等目标请求越来越高。底下对好多量衡量技能与衡量设备的进展趋向停止归纳。

　　2.1衡量参量由简单参数衡量向多参数衡量进展

　　最先的好多量衡量设施偶尔是针对简单参数停止衡量的，譬喻：只衡量角度的经纬仪、只衡量间隔的激光过问仪等设施，不过跟着衡量职责的百般化，仅针对简单参数停止衡量偶尔难以满意评估需求，需求开展多参数衡量以满意更为繁杂的品质评估请求。譬喻：在机车的转向架衡量中，往日紧要关切轮对之间的位移，只要衡量简单的尺寸就也许满意打算请求［14-15］。跟着打算和工艺的进展，更多的参数需求被 　　2.2衡量对象由单点衡量向点云衡量进展

　　跟着衡量设备的进展，对繁杂零部件的好多尺寸有了更好的衡量保证和溯源技能，同时对大型零部件好多表面的检验由表面上的多点地方衡量，渐渐进展为某特定截面上表面线的衡量，直至目前的周全表面面衡量［9］，在此经过中许多关键部件的衡量也由单点衡量向点云衡量的方位进展［17］，譬喻：在航空创造周围中，整流罩为繁杂的二次、三次曲面，机翼为小曲率改变的流线型机关，鼓动机叶片为挽救的曲面机关，这些型面均需求停止点云衡量以断定其品质符合请求;在新动力周围中，对大型风力发机电叶片成型磨具停止周期性好多表面衡量以及对定型后的叶片停止抽样形状表面探测时均需求停止点云衡量;航天周围中，卫星天线和用于衡量对象散射特点的压缩场均需求停止点云衡量以断定其品质符合请求，等等。

　　当前，完结产物好多表面点云衡量最有用的技能因此激光扫描仪为主体的三维扫描衡量，经过获得海量的响应产物好多形色特色的三维点云数据完结对产物好多表面特色的形色。但何如断定所应用的扫描设施是不是与给定的技能目标符合、何如断定扫描衡量数据的有用性、何如对三维扫描衡量了局停止评估、何如断定扫描了局的一致性等题目，不停是三维扫描衡量技能没法回避的技能困难，这些题目的存在直接影响衡量了局的牢固性，当前多家协商院所和高矫正在对这些题目停止要点协商，谋求管理法子。

　　2.3衡量方法由静态衡量向动态衡量进展

　　在大型设备创造经过中，产物的尺寸公役和型面公役等参数偶尔是仪器在静态经过中完竣衡量的。不过，跟着智能创造的进展，请求对产物创造经过停止时刻在线监控，这就请求针对做为对象停止高精度的动态衡量［18-20］。譬喻：在航天器和卫星等大型部件对接经过中，不单请求在对接终究地方停止准确衡量，也需求对这一经过中的大部件地方和姿势停止跟踪衡量，以完玉成经过的精确把控;在大型发射天线的型面衡量中，请求对周全型面停止马上衡量，这就请求对各个需求拼接的单块面板的形色和姿势进做为态衡量，以保证拼接经过的可控;在智能创造周围，需求对产业机械人结尾夹持姿势和主动领导车做为姿势停止时刻动态监控，以保证智能创造经过的正确可控。因而，需求建树由具备针对做为对象衡量才能的衡量系统构成的动态衡量网络，完竣针对做为目对象动态衡量经过的监控和评估，且需求管理这类系统针对做为目对象衡量才能评估题目。

　　以大尺寸类的数字化衡量系统的动态机能协商为例，海外巴斯大学以产业机械人做为被测对象，考证了室内GPS的动态衡量机能，国内航空产业计量所开展了激光跟踪仪和照相衡量系统的动态参数评估协商，研发了圆轨迹与直线轨迹准则装配，构成了响应的协商法子。不过当前的大尺寸坐标仪器的计量检定例范中，很少说起动态衡量才能和机能的检定请求，仅在JJF《激光跟踪仪校准典范行使圆轨迹产生器》中提议了激光跟踪仪的极限跟踪速度等几个与动态机能相干的参数界说，并未典范校准法子［21］。鉴于大尺寸衡量设施针对做为目对象动态衡量才能评估相对保守的近况，需求从如下几点敞开协商：在界说大尺寸衡量设施的动态特点参数的底子上，建树动态定位差错模子，协商动态差错的赔偿法子，构成校准典范和校准法子。

　　2.4衡量计划由单衡量系统自力完竣向多衡量系统协同管理方位进展

　　新式的数字化衡量系统具备衡量精度高、衡量速度快、主动化水准高的上风，曾经为大型安装创造经过中的产物品质保证做出了极大奉献。不过跟着创造经过的繁杂化、衡量需求的百般化，这些简单衡量系统构成的衡量计划偶尔难以管理繁杂的现场衡量题目，在云云的大配景下，采纳多个衡量系统停止数据合并，表现多种衡量系统的上风，协同完竣统一繁杂衡量职责，将衡量数据统一在产物创造坐标系下，进而完竣产物的品质评定，曾经成为一种急迫进展趋向［21-23］。

　　譬喻飞机安装时将各个零件和组件遵从产物技能请求停止定位和衔接的经过中，由于零部件数目多、工艺繁杂，且大型机关件刚性差、易变形，致使安装精度难以保证，为管理这一题目，行使多个衡量系统协同组合完竣统一繁杂衡量职责曾经成为一种急迫技能。首先剖析影响安装的关键特色要素，并针对这些要素抉择不同的衡量设施（譬喻高精度简单点位衡量可采纳激光跟踪仪，高效的姿势参数跟踪可抉择室内GPS或照相衡量，洪量的型面点云数据搜集可抉择激光扫描仪等），进而筹办统一的衡量计划，以后对此衡量计划停止精度仿真剖析，以飞机部件模子为领导，建树基于模子的数字化多系统衡量平台，行使数据合并技能建树统一的衡量基准，并与安装基准般配，进而归纳表现多个衡量系统的上风，完竣繁杂衡量职责。这类新式的衡量计划需求管理多个衡量系统的基准数据合并、简单衡量系统的现场精度核对、基于般配模子的差错分派等题目。

3论断

　　好多量数字化衡量法子与衡量设备在产业创造格外是大型设备创造周围中表现着越来越急迫的效用，衡量职责的百般化和繁杂化也对好多量数字化衡量与衡量设备的进展提议了更高请求。本文以“华夏创造”进展计谋需求为配景，系统梳理当前紧要的好多量数字化衡量系统，并先容各系统的紧要代表厂家及产物、运用特点和自己控制性。以此为底子，连接衡量设备的主动化、数字化和智能化进表近况和今朝现场处境下的繁杂衡量职责需求，提议四项进展趋向，并适应进展趋向提议响应的参考管理计划，为好多量数字化衡量法子与衡量设备的进展起到推行为用。除了这四项进展趋向外，好多量数字化衡量法子与设备应与产业机械人或主动领导智能小车等设备连接，构成衡量、管制一体化的管理计划，但同时也面对响应的衡量方律例划与校准题目，这类题目将成为往后协商的热门，也为好多量数字化衡量带来了挑战。

长按判断

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