【《分布式大尺寸测量系统发展现状文献综述》2400字】

分布式大尺寸测量系统发展现状文献综述当前国际上应用比较常见的大尺寸测量方式根据测量形式的不同可以分为两大类：集中式测量和分布式测量，前者可以由一个单独的测量单元即可完成待测点的坐标测量，包括三坐标测量仪、激光跟踪仪、激光雷达、关节测量臂等，后者需要综合多个测量单元的信息才能完成待测点的坐标测量，包括经纬仪测量系统、iGPS测量系统、工业数字摄影测量系统等。1）三坐标测量仪系统三坐标测量仪是得到广泛使用的一种坐标测量设备。简单的来说，三坐标测量仪具有三个相互垂直方向自由移动的导轨，它们构成笛卡尔坐标系的X、Y和Z轴。三个方向上的位置信息量经过探测器采集信号，再经有处理数据能力的处理器计算得到坐标信息[5]。经过过年的发展，三坐标测量仪已经具有计算尺寸精度、几何精度等更多的应用[6]，且精度和效率也得到了广泛的认可。超大型龙门三坐标测量仪是三坐标测量仪在大尺寸空间测量中的典型应用，主要应用于全球航天航空、发电和重型机械制造行业，测量精度高、适应工业环境强，缺点是该系统较大，一旦确定建立，不便于移动和调整，且为接触式测量，限制了一些方面的应用。如图1-2所示的是意大利COORD3公司的MCT-PLUS龙门三坐标测量机，其最大的测量空间可拓展至20m×5m×2.5m，精度0.1μm，目前在西班牙航空公司运载火箭的制造测量和在中车株洲电力机车的生产中得到了应用[7-8]。（a）MCT-PLUS龙门三坐标测量机;(b)MCT-PLUS龙门三坐标测量机在车间的应用图1-2MCT-PLUS三坐标测量机的应用三坐标测量机测量精度高、可以检测几乎所有的形状公差，缺点是对环境要求相对较高，操作人员需要一定的培训，不适合做大范围的动态测量，而且造价也比较昂贵。2）激光跟踪仪测量系统激光跟踪仪测量系统测量时用单台激光跟踪仪测单个靶球的空间坐标。利用激光干涉测距技术和测角技术相结合[9]，测得靶点在跟踪仪的球坐标系下的水平角、俯仰角和距离，进而计算得到空间坐标值。测量过程中，跟踪头发出激光对目标靶球进行跟踪，多目标并行测量能力弱，且靶球移动过快则会造成丢光。激光跟踪仪在工业领域应用比较成熟，在大尺寸工件装配、机器人定位以及其他一些高精度测量中经常使用[10-12]。如图是1-3是Leica公司生产的AT960绝对激光跟踪仪，测量直径可达160m，测距精度可达10μm+5μm/m，测角精度可达0.5"[13]。T-Probe探头可以显著提高测量速度并使测量结果更精确。使得传统跟踪仪功能的局限性在最大程度上降到最低程度，从另一个角度来说，它可以完成许多三坐标测量机不能做的任务；T-Scan能够使快速地数字化各种表面，能够达到更高的精度，而且不需要对表面进行任何预先处理。(a)AT960绝对激光跟踪仪；(b)T-Probe探头；(c)T-Scan探头图1-4LeicaAT60-LR激光跟踪仪及其测头3）工业数字摄影测量系统工业数字摄影测量是一种基于空间角度交汇的测量方式。搭建完整的摄影测量系统包括高精度的相机、测量标识和处理软件等[14]。首先在被测物体表面贴多个测量标识点，相机从多个方向进行图像采集，处理软件进行图像处理得到标识点的三维坐标。受到此工作原理的限制，工业数字摄影测量是一种离线的测量方式，实时性会差一些。目前，全球工业数字摄影测量系统做的较好的生产厂家主要有德国Aicon公司、美国GIS公司与挪威Metronor公司等。如图1-5为挪威Metronor公司基于摄影测量技术生产的Metronor-Two系统，由高精度CCD工业数码相机、采点系统和电脑及测量软件组成，它测量范围大，无接触式并行测量、适合现场应用和完备的几何量检测方案，成熟地应用于工业用坐标测量系统、军用火箭准星校靶系统和AIMS数据整合软件系统。摄影测量系统由于轻便并且精度高，在工业领域生产装配、建筑领域测绘监测、军事领域定位导航也得到广泛得应用[15-17]。图1-5Metronor-Two系统组成4）iGPS测量系统iGPS系统英文全称为indoorGPS,因此也叫做室内GPS。起初，这个概念是美国一家公司在GPS的启发下提出的，某种意义上来说，这也是一种局部GPS技术。随后，日本Nikon公司完整的研制出了可以用于大尺寸测量的iGPS系统，该系统组成方式如图1-6所示，包括扫描基站、接收器和电脑及测量软件，工作方式为多个扫描基站在电机的驱动下按照设定的不同转速进行空间旋转扫描，同时发出两个扇形激光平面，接收器根据扫描基站的光线计数时间特征，计算接收器所在点的空间角度位置，根据角度前方交会原理，由多条空间直线确定目标的空间三维坐标[18-20]。iGPS系统的优点如下：(1)测量范围大。单台扫描基站的激光扫描范围可达几十米，在实际应用中，可以通过增加扫描基站台数，通过合理的布站，再通过参数标定将多台扫描基站组成一个测量系统，其测量范围可以大很多。(2)并行测量能力强。在扫描基站固定后，测量网络的传感器在上位机运行负载之内理论上是可以无限增加的。(3)不易丢光，自动搜索目标，无需人工对准。即使个别扫描基站激光被档，传感器只要收到的激光基站数大于等于二即可解算相应的坐标。正因为它的优点有很多，所以在很多方面都可以得到很好的应用。iGPS系统可以集成安装到生产线或装配线中，是动态跟踪和大尺寸零部件装配的理想工具；有可以用来定位，从而提高制造装配能力和产品质量；还可以进行在线检测等[21-23]。全球有多个团队对iGPS系统进行了研究。国外，英国巴斯大学对iGPS系统的性能进行了深入的研究，如图1-6为实验现场，通过与激光跟踪仪测量对比，得出在10m×10m×2m的测量区域内和95%置信概率下，单个扫描基站对待测点的测量时间为2秒时，角度测量不确定度为0.5角秒，坐标解算不确定度为25um，iGPS系统长度测量的不确定度为0.17mm，在每个坐标分量上的测量精度均优于0.19mm[24]。都灵理工大学对iGPS系统测量精度的研究表明，在6m×10m的范围内，系统对于1m标准长度测量的标准差为0.2mm[25-26]。图1-6巴斯大学iGPS测量系统研究实验现场国内，天津大学的研究团队在iGPS定位原理的基础上，提出了如图1-7所示的wMPS测量系统[27]，不仅从扫描基站光束整合、电机驱动转速控制研究、接收器关键技术等硬件方面进行了深入研究，而且从扫描基站布局优化[28]、