《工程测量学》课件第14章 工业设备形位检测

,测绘科学与工程学院,第14章工业设备形位检测,工程测量学多媒体课件,分节目录,14.2工业测量系统及其应用,14.1概述,一、工业测量与工业测量系统二、徕卡Axyz工业测量系统三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（一）车载式近景目标三维测量系统传感器位置检测（二）机器人视觉实验所用格网板的无接触精密检测（三）矿井提升设备检测（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测四、工业测量系统的应用领域综述,一、工业设备形位检测的任务和特点二、工业设备形位检测方法三、选择工业设备形位检测方法的一些原则四、工业设备安装精密测量控制网的建立,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点工业设备形位检测应用于工业设备的定位、安装、校正和工业产品的质量检验中。工业设备形位检测的任务：在工业设备安装时，根据设计和工艺的要求，将设备构件按规定的精度和工艺流程的需要安置到设计位置；在工业设备检修时，对设备构件的位置进行检测，使设备构件能够调整到正确位置；在工业生产过程中，对生产部件进行外形检测，以校核生产部件外形和设计外形的差别。,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点与一般测量工作相比，工业设备形位检测具有以下特点：（1）工业设备形位检测的测量精度高（2）工业设备形位检测往往受到现场条件的限制（3）工业设备形位检测有时受到工作时间的限制（4）工业设备形位检测更多地需要专用的仪器设备,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点与一般测量工作相比，工业设备形位检测具有以下特点：（1）工业设备形位检测的测量精度高工业设备形位检测的对象不同、测量范围的大小不同，对测量的精度要求也不相同。在精度衡量标准上，有的用点位误差表示，有的用相对误差表示。一般来说，工业设备形位检测的点位误差要求在0.052.0mm，其相对误差要求高于1/50万。（2）工业设备形位检测往往受到现场条件的限制（3）工业设备形位检测有时受到工作时间的限制（4）工业设备形位检测更多地需要专用的仪器设备,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点与一般测量工作相比，工业设备形位检测具有以下特点：（1）工业设备形位检测的测量精度高（2）工业设备形位检测往往受到现场条件的限制工业设备形位检测通常是在现场测量，测量仪器和测量方法的选择与现场测量的条件密切相关。这些条件包括通视条件、照明条件、测量仪器是否受到最短测量距离的限制、是否有震动和噪声以及是否处在高温、辐射环境等。（3）工业设备形位检测有时受到工作时间的限制（4）工业设备形位检测更多地需要专用的仪器设备,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点与一般测量工作相比，工业设备形位检测具有以下特点：（1）工业设备形位检测的测量精度高（2）工业设备形位检测往往受到现场条件的限制（3）工业设备形位检测有时受到工作时间的限制在工业设备检修时进行形位检测往往会受到工作时间的限制。在自动化生产线上，设备检修一般需要停产。因此，检测时间的长短直接影响经济效益。（4）工业设备形位检测更多地需要专用的仪器设备,14.1概述,一、工业设备形位检测的任务和特点与一般测量工作相比，工业设备形位检测具有以下特点：（1）工业设备形位检测的测量精度高（2）工业设备形位检测往往受到现场条件的限制（3）工业设备形位检测有时受到工作时间的限制（4）工业设备形位检测更多地需要专用的仪器设备由于工业设备形位检测的特殊性，除应用水准仪、经纬仪和全站仪外，更多的需要专用的仪器设备。如自动因瓦测距尺（Distinvar）、激光跟踪仪、激光准直测量系统、数字工业摄影测量系统、静力水准测量系统以及一些测量传感器等。,14.1概述,二、工业设备形位检测方法常用的工业设备形位检测方法有：电子经纬仪(或全站仪)基于前方交会的测量方法全站仪(或激光跟踪仪)基于极坐标的三维坐标测量方法数字近景摄影测量方法激光准直测量方法,14.1概述,二、工业设备形位检测方法1、电子经纬仪(或全站仪)基于前方交会的测量方法通常利用两台高精度电子经纬仪构成经纬仪工业测量系统，对所测物上的目标点进行前方交会，计算目标点的三维坐标。由于高精度电子经纬仪具有1或1以内的测角精度，因此，在短距离范围内这种方法可得到极高的点位精度。,14.1概述,二、工业设备形位检测方法2、全站仪(或激光跟踪仪)基于极坐标的三维坐标测量方法全站仪的发展，测距精度可方便的达到1mm以内，甚至更高。特别是激光跟踪仪，利用激光干涉原理测距，测距精度为10m/m。从而可只使用一台全站仪（或激光跟踪仪）进行三维坐标测量。对于大型的物体，可方便的在多个测站上测量。,14.1概述,二、工业设备形位检测方法3、近景摄影测量方法工业设备形位检测是近景摄影测量应用的一个方面。特别是对表面形状复杂、测量点密集、目标不可接近以及处于运动状态物体的检测。随着CCD数字相机分辨率的提高和数字图像处理技术的发展，数字近景摄影测量与传统的近景摄影测量相比，具有测量精度高、效率高和自动化程度高的优点，在工业设备形位检测受到重视。,14.1概述,二、工业设备形位检测方法4、激光准直测量方法激光准直分为激光束准直和波带板激光准直。激光准直测量主要用于大型机械设备制造和安装中的直线度测量、平面度测量和轴与孔的同心度测量。,14.1概述,三、选择工业设备形位检测方法的一些原则针对各种不同工业设备形位检测对象和不同检测方法的特点，正确的选择工业设备形位检测方法，作出合理的检测方案是很重要的。（1）选择工业设备形位检测用的电磁波测距仪或扫描仪，其测量精度可为0.022mm。但是，要求的测量精度越高，则所测量的距离就得越短。（2）基于测角仪器（如电子经纬仪或全站仪）的最佳极限高精度是最短视距与仪器测角中误差的乘积。可见，缩短观测距离和选用高精度仪器，是保证工业设备形位检测精度的根本保证。测角仪器的极限高精度是0.5，但是照准目标的调焦误差会影响测角精度。,14.1概述,三、选择工业设备形位检测方法的一些原则（3）近景摄影测量的极限高精度是像点点位中误差与影像比例尺分母的乘积。可见，增大构像比例尺和提高像点点位精度是保证近景摄影测量精度的基本措施。摄影测量像点点位的极限高精度是0.5m/m。（4）对于运动物体的形位检测，进行直接测量或摄影测量的传感器的工作频率是重要技术指标，高速摄像机提供每秒2000幅的摄像频率，位移传感器提供每秒1000次的测距频率。,14.1概述,四、工业设备安装精密测量控制网的建立随着高精度全站仪和激光跟踪仪在工业设备安装和检修测量中的应用，对于一般小型设备的安装和检修，只需要建立一些参考点，通过自由设站，就可传递测量坐标，通常不需要建立专门的控制网。对于大型设备的安装和检修，特别是需要分段、分块安装的情况，则必须建立安装测量控制网。这种控制网比起常规的测量控制网，边长短、范围小，其精度与设备安装的精度要求有关，对于大型精密设备，安装测量控制网控制点的点位中误差通常要求在1mm以内。,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统工业测量是在工业生产或科学研究的各个环节中，对部件和产品的形体进行精密的三维坐标测算工作，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态，提供测量技术支撑的一门学科。,传统的工业测量方法：三坐标测量机(较常用)气动测长仪长度及角度传感器比长器,激光干涉仪测量显微镜断面投影器等,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统三坐标测量机,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统三坐标测量机,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统三坐标测量机,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统三坐标测量机的局限性：接触式测量；大型三坐标测量机一般位置固定，仅能在特定的有限区域内测量；小型三坐标测量机虽然灵活性较好，但是测量范围有限。,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统工业测量系统(IndustrialMeasurementSystem，IMS)是指以电子经纬仪、全站仪、数字相机等为传感器，在计算机的控制下，完成部件、产品及构筑物的非接触和实时三维坐标测量，并在现场进行测量数据的处理、分析和管理的应用系统。,14.2工业测量系统及其应用,一、工业测量与工业测量系统工业测量系统相比于三坐标测量机的特点：实时性-原始测量数据的实时采集与存储，目标点三维坐标的实时计算与分析处理；非接触性-区别于常规测量方法，无须接触被测物体即可精确获取其位置信息；机动性-可以根据测量现场的实际情况，机动灵活地安排测站的位置，不受固定测站的制约，而将复杂的计算与分析处理工作寄望于功能强大的工业测量系统软件。,二、徕卡Axyz工业测量系统九十年代至今，Leica公司所开发的Axyz工业测量系统代表了工业测量系统发展的先进水平。,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统是一种综合性的、多模块化的工业测量系统软件，将各种工业测量系统都统一到最新的Axyz软件中，由一个共同的数据管理平台CDM进行管理。经纬仪测量系统（MTM）、全站仪极坐标测量系统（STM）、激光跟踪测量系统（LTM）及数字摄影测量系统（VGM）都是作为CDM下的一个数据采集模块；这样将各个分散的IMS软、硬件集成到一个系统中，可对各种数据采集硬件作统一的管理，测量软件的界面一致，操作灵活方便，是目前世界上最新的商业化工业测量系统软件。,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,Plug-InandMeasure,14.2工业测量系统及其应用,“即插即测”式测量系统,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,Plug-InandMeasure,二、徕卡Axyz工业测量系统经纬仪工业测量系统是利用两台或两台以上的经纬仪，进行空间前方交会测量，通过角度测量值获取静态目标的三维坐标。特别适用于大型设备安装和测试。经纬仪测量系统在几米到十几米的测量范围内的精度可以达到0.020.05mm。,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,Plug-InandMeasure,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,全站仪测量系统是对一个静态反射镜进行角度和距离测量，获取三维坐标。基本原理是极坐标法。仪器设站非常方便和灵活，测程较远，在100m范围内的测量精度可达到0.5mm左右。因此特别适用于钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,Plug-InandMeasure,二、徕卡Axyz工业测量系统激光跟踪测量系统是通过激光跟踪静态或动态的反射体，获取角度和距离测量值，进而得到测量目标的三维坐标，其工作原理也是极坐标法。速度极快，特别适用于动态目标的监测。,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,Plug-InandMeasure,二、徕卡Axyz工业测量系统数字摄影测量系统用两台或两台以上数码相机获取目标影像，进而计算目标的三维坐标。基本原理为近景数字摄影测量。也特别适合于动态物体的快速坐标测量，在近距离范围内它的测量精度达到0.10.3mm。,14.2工业测量系统及其应用,14.2工业测量系统及其应用,将各个分散的IMS软、硬件集成在一个系统中，可对各种数据采集硬件作统一的管理，测量软件的界面一致，操作灵活、方便，是目前世界上最先进的商品化工业测量软件！,二、徕卡Axyz工业测量系统,更新数据显示改变坐标系类型,坐标系统的旋转、平移及比例变换,轴对准法公共点法,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,角度、距离、弧长等基本要素求解,直线、圆、平面、抛物面、圆柱、圆锥等几个实体的拟合计算,相交、垂直、平行、平分、投影、分段、隐藏点计算等几何元素分析,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,二、徕卡Axyz工业测量系统,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（一）车载式近景目标三维测量系统传感器位置检测车载式近景目标三维测量系统（3D-Surs）是采用数码相机、激光扫描仪和全球定位系统的一个三位一体的三维数据采集系统。是由我校同武汉大学、同济大学及中国测绘科学研究院共同承担的国家863项目（2001AA131020）。利用数码相机获取测量目标的外部影像和物方纹理；利用激光扫描仪获取物方的特征线和特征面；利用GPS测量载体的地理位置、方位和速度。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（一）车载式近景目标三维测量系统传感器位置检测综合三种传感器所采集的观测数据，通过综合数据处理系统处理后获取物方目标的三维坐标数据。由于项目采用GPS测姿系统动态测定车载平台的姿态以及激光扫描仪扫描中心的坐标轨迹，因此扫描中心与GPS天线相位中心的相对位置关系对系统精度的影响相当显著。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（一）车载式近景目标三维测量系统传感器位置检测,14.2工业测量系统及其应用,为改善工作性能，2004年8月对其结构进行了改造,需要精确测定数码相机、激光扫描仪和GPS天线之间的相对位置关系，要求测量精度控制在0.3mm以内。,14.2工业测量系统及其应用,部分测量成果（单位：mm）室内测量范围10米范围内，室外近20米,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（二）机器人视觉实验所用格网板的无接触精密检测机器人视觉控制系统方面的研究，一直是机器人领域的热点问题。我校机器人研究中心针对MOTOMAN-SV3XL型机器人，进行手眼式视觉系统软件开发方面的研究，为此设计了多套实验方案，并购置和制作了多种实验设备与器材。其中之一是一块带有5cm5cm格网刻画的平板，大小为50cm50cm，目的是利用格网点间已知的相对位置关系对机器人手臂上的摄像机进行准确标定。为保证足够高的标定精度，要求相邻格网点的距离与设计值之差小于0.1mm。为此，需要对制作出的格网板进行精密检测。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（二）机器人视觉实验所用格网板的无接触精密检测,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（二）机器人视觉实验所用格网板的无接触精密检测,14.2工业测量系统及其应用,选取了55个检测点，需要对44段相邻点间距、35段对角线和35段间隔点距离做出精密检测。共进行5次重复观测，每次所需时间不足20分钟。,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（二）机器人视觉实验所用格网板的无接触精密检测按照白塞尔公式，对5次检测成果进行汇总与分析，计算出各个检测点三维坐标的中误差，统计如下：,14.2工业测量系统及其应用,可以看出，Axyz/MTM工业测量系统在5米范围内的单点测量精度完全优于0.1mm，多数检测点的检测精度优于0.05mm。,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（三）矿井提升设备检测在矿井提升设备中，钢丝绳从天轮中心垂直面到滚筒的直线同钢丝绳在滚筒上最内、最外位置到天轮中心的直线所成的角度，称为最大内、外偏角。煤矿安全规程中明确指出，天轮到滚筒上的最大内、外偏角不得超过1030。同时指出，新安装的矿井主要提升装置，必须经验收合格后方可投入使用。投入运行后的设备，必须每年进行1次检查，每3年进行1次测试，认定合格后方可继续使用。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（三）矿井提升设备检测在矿井提升设备中，钢丝绳从天轮中心垂直面到滚筒的直线同钢丝绳在滚筒上最内、最外位置到天轮中心的直线所成的角度，称为最大内、外偏角。煤矿安全规程中明确指出，天轮到滚筒上的最大内、外偏角不得超过1030。同时指出，新安装的矿井主要提升装置，必须经验收合格后方可投入使用。投入运行后的设备，必须每年进行1次检查，每3年进行1次测试，认定合格后方可继续使用。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（三）矿井提升设备检测,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（三）矿井提升设备检测,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（三）矿井提升设备检测矿区之内采用TCA2003全站仪进行传统的精密工程测量，包括天轮出绳点、井筒十字中线点等的三维坐标。绞车房内，采用Axyz/MTM工业测量系统。通过与TCA2003全站仪联测，使绞车房内检测成果与厂区内的坐标系统保持一致；测量绞车滚筒一侧的圆周点，通过拟合圆计算出中心点坐标；当钢丝绳处于临界位置时，测定钢丝绳上的点，通过拟合直线计算钢丝绳的倾斜角；依赖于Axyz软件强大的空间数据分析功能，求取绞车主轴平行度、钢丝绳最大内、外偏角等元素。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测在浮法玻璃生产线中，辊子是过渡辊台的重要部件，其作用是把在锡槽里成型的玻璃板拉引出来送到退火窑进行退火。临近退火窑处的温度约为600，玻璃处于半硬化状态，故辊子的表面粗糙程度、弯曲变形以及相对位置的变动等都会严重影响玻璃生产的质量。某玻璃有限公司为提高玻璃生产质量，降低废品率，对退火窑附近的多根辊子进行了清洗、检修、调整等维护工作。为确保维护之后各根辊子位置的正确性，需要对辊子进行精密检测。要求辊子间相对高差的检测精度优于0.3mm。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测,14.2工业测量系统及其应用,原料,熔融玻璃,熔融锡,辊子,玻璃带,熔窑,锡槽,气氛保护,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测鉴于现场的原有控制点大多遭到破坏，无法恢复利用。而且玻璃生产线高于地坪近3米，长约500米，两侧无法通视。若采用常规的精密导线测量方法，不但测量周期长，精度也难以保证。此外，玻璃生产线一旦停产会造成极大的财产损失，故要求检测工作必须在辊子运转的情况下进行，这也是常规测量方法无法实现的。经多方调研，该公司决定采用我校购置的LeicaAxyz经纬仪工业测量系统，结合配套的DL2激光发射器，对退火窑附近的辊子进行检测，取得了较好的测量效果。,14.2工业测量系统及其应用,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测,14.2工业测量系统及其应用,实时性联机测量，现场解算，实时监控测量质量。非接触性借助于激光投点，依赖于两台电子经纬仪，进行空间前方交会测量。机动性根据测量内容随意安置两台经纬仪，通过观测一定数量的公共点，方便地实现测量成果所作坐标系统的统一，包括生产线两侧的成果统一。,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测,14.2工业测量系统及其应用,发射激光束，投点于旋转的辊子轴头，作为交会测量的目标点。在5米范围内，投射点直径为0.6mm，且容易判断其几何中心。实现了辊子运转情况下的非接触精密检测。,安装于TCA2003全站仪上的激光投点器LeicaDL2,三、徕卡Axyz/MTM工业测量系统应用案例简介（四）浮法玻璃生产线上辊子相对高差检测测量误差的主要来源是单测站测量误差、搬站测量误差以及圆的拟合计算误差，对某次检测结果作统计分析(单位：mm),14.2工业测量系统及其应用,四、工业测量系统的应用领域综述工业测量系