第十三節(jié)__數(shù)字測(cè)量技術(shù)

1、1 十三、數(shù)字測(cè)量技術(shù)十三、數(shù)字測(cè)量技術(shù) 13.1 計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀（計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀（CAT）工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用 我國的飛機(jī)制造中長期使用樣板標(biāo)準(zhǔn)樣件協(xié)調(diào)方法，這種制造方 法周期長、困難多、精度低、對(duì)大中型飛機(jī)也不合適。 我國在部分飛機(jī)工廠也較早地采用普通光學(xué)儀器安裝型架的方法，這 種方法成本低、操作簡單、與工具球（一種光學(xué)目標(biāo)）和工具尺相結(jié)合， 可獲得滿意的測(cè)量精度。但此法速度慢，對(duì)于一些復(fù)雜情況（如斜面上的 零件安裝）難以滿足使用要求，特別近幾年來飛機(jī)產(chǎn)品的全數(shù)字化定義后， 這一方法也不能與它方便地銜接。 計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀的測(cè)量系統(tǒng)從八十年代開始引起航空

2、航天制造 業(yè)的普遍關(guān)注。在我國與美國合作生產(chǎn)麥道90飛機(jī)和波音737700部件中 都采用這一先進(jìn)的CAT工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，收到了良好的效果。 2 （一）一）CAT系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn) 以我國航空工業(yè) 中使用的ManCAT系統(tǒng) 為例作一說明，它由 電子經(jīng)緯儀、計(jì)算機(jī)、 通道接口、標(biāo)尺、觀 測(cè)目標(biāo)、腳架、目標(biāo) 適配器和打印機(jī)所組 成。 ManCAT系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖 3 （1）電子經(jīng)緯儀 電子經(jīng)緯儀用于獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，它可提供水平和垂直兩個(gè)方向上的角 度精確數(shù)據(jù)，可用兩臺(tái)或多臺(tái)電子經(jīng)緯儀的光學(xué)視線構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)。工廠 用的T3000電子經(jīng)緯儀是一種高精度測(cè)量儀，具有動(dòng)態(tài)測(cè)角、全自動(dòng)讀數(shù)、

3、 電信號(hào)傳遞和誤差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，它的分辨率?.1秒，角度測(cè)量精度小 于0.5秒，被測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)位置精度達(dá)0.001英寸（0.025毫米）。 4 電子經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀 5 建立光學(xué)視線建立光學(xué)視線 6 （2）計(jì)算機(jī) 即普通的微機(jī)，ManCAT的測(cè)量軟件系統(tǒng)就安裝在上面，用它來控 制測(cè)量過程、存貯和處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。 （3）通道接口（Ports） 用于聯(lián)接計(jì)算機(jī)與電子經(jīng)緯儀，構(gòu)成完整的測(cè)量系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)測(cè) 量過程的控制和數(shù)據(jù)的通信。 （4）標(biāo)尺（Scale bar） 標(biāo)尺用來確定測(cè)量系統(tǒng)尺度的絕對(duì)基準(zhǔn)或系統(tǒng)的比例。標(biāo)尺的材質(zhì)最 好與被測(cè)對(duì)象的主體材質(zhì)一致或近似，以避免測(cè)量過程中環(huán)境因素的影響。 8

4、0.XXXX 標(biāo)尺標(biāo)尺 7 在測(cè)量系統(tǒng)中，作為電子經(jīng)緯儀光學(xué)視線,前方的交會(huì)目標(biāo)。由于經(jīng) 緯儀通常不能直接測(cè)量被測(cè)物體，而是通過測(cè)量其上的觀測(cè)目標(biāo)，在測(cè) 量過程中，使電子經(jīng)緯儀中望遠(yuǎn)鏡的十字線交點(diǎn)調(diào)整到與觀測(cè)目標(biāo)上的 中心點(diǎn)盡量一致。再減去它的高度（或厚度）則為被測(cè)物體的值，觀測(cè) 目標(biāo)在工廠中稱工具球，它也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，所以被測(cè)物體上應(yīng)設(shè)置觀 測(cè)目標(biāo)孔，便于放置觀測(cè)目標(biāo)，有時(shí)在被測(cè)物體上要專門設(shè)計(jì)目標(biāo)適配 器，提供安放觀測(cè)目標(biāo)的位置孔。 8 觀測(cè)目標(biāo) 9 目標(biāo)的厚度目標(biāo)的厚度 10 （5）經(jīng)緯儀腳架（Theodolite stands） 用于支撐電子經(jīng)緯儀，保證經(jīng)緯儀在工作過程中具有良好的穩(wěn)定

5、性， 以便整個(gè)測(cè)量過程中的參考系保持不變。 （6）打印機(jī)（Printer） 用于輸出測(cè)量結(jié)果。 11 （二）二）CAT系統(tǒng)的建立系統(tǒng)的建立 首先是它的坐標(biāo)系統(tǒng)的建立，即怎樣保證飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系統(tǒng) 能體現(xiàn)在裝配型架上。而型架上的實(shí)際坐標(biāo)系是通過一系列基準(zhǔn)點(diǎn)來實(shí) 現(xiàn)的。CAT系統(tǒng)通過測(cè)量這些基準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行一些計(jì)算工作建立飛機(jī)產(chǎn) 品坐標(biāo)體系并實(shí)現(xiàn)其變換。 12 OTP4 X=14.2000 Y= 6.5000 Z= 0.0000 OTP5 X=9.2000 Y= 6.5000 Z= 0.0000 OTP6 X=4.2000 Y= 6.5000 Z= 0.0000 OTP3 X=14.2000 Y

6、= 0.5000 Z= 0.0000 OTP1 X=4.2000 Y= 0.5000 Z= 0.0000 OTP2 X=9.2000 Y= 0.5000 Z= 0.0000 工作坐標(biāo)系 6.5000 4.2000 * * * * * * YX Z 13 1：電子經(jīng)緯儀的設(shè)站：電子經(jīng)緯儀的設(shè)站 電子經(jīng)緯儀的設(shè)站是測(cè)量工作的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。因?yàn)檎?位選擇得好，不僅可以避免許多重復(fù)性工作，節(jié)省測(cè)量時(shí)間，提高工作效 率，而且能夠提高測(cè)量精度。 在電子經(jīng)緯儀設(shè)站時(shí)應(yīng)考慮到下列一些因素： （1）電子經(jīng)緯儀的設(shè)站 電子經(jīng)緯儀的測(cè)量角Apex，考慮到測(cè)量精度的原因，一般Apex角應(yīng) 在50130之間

7、，一般由幾個(gè)圓弧段組成的閉合區(qū)域。 14 測(cè)量角Apex 15 測(cè)量角Apex范圍 16 （2）幾臺(tái)電子經(jīng)緯儀的測(cè)量包線能包容整個(gè)工裝 由于兩臺(tái)電子經(jīng)緯儀的測(cè)量最大距離LOS是40英尺（約12米）以及 它們測(cè)量角Apex范圍的限制，所以當(dāng)兩臺(tái)電子經(jīng)緯儀不夠用時(shí)，可使用 三臺(tái)經(jīng)緯儀。若三臺(tái)還不夠，則可用更多臺(tái)經(jīng)緯儀，有時(shí)可多達(dá)十余臺(tái) 聯(lián)合使用。 17 兩臺(tái)經(jīng)緯儀情況兩臺(tái)經(jīng)緯儀情況 18 三臺(tái)經(jīng)緯儀情況三臺(tái)經(jīng)緯儀情況 19 多臺(tái)經(jīng)緯儀情況多臺(tái)經(jīng)緯儀情況 要保證被測(cè)量工裝在多臺(tái)經(jīng)緯儀的聯(lián)合測(cè)量允許視線范圍內(nèi)，同時(shí)， 盡量使所有的儀器能進(jìn)行精確的互描。 20 （3）一次設(shè)站后盡可能完成全部測(cè)量工作 也

8、即在一次設(shè)站后，最好能觀測(cè)到所有測(cè)量點(diǎn)。即觀測(cè)視線，能包 容整個(gè)工裝。但有時(shí)并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸M管工裝被包容在電子經(jīng)緯儀 的視線的測(cè)量包線內(nèi)，不等于電子經(jīng)緯儀能掃描到所有測(cè)量點(diǎn)。 視線包容工裝視線包容工裝 21 （4）電子經(jīng)緯儀的高度 一般使電子經(jīng)緯儀的高度設(shè)置在所有測(cè)量點(diǎn)的中間高度，盡量減少 儀器的垂直俯仰角度。 （5）CAT系統(tǒng)的工作環(huán)境 電子經(jīng)緯儀站位處的地基要穩(wěn)定，保證儀器不受陽光的直接照射， 測(cè)量范圍內(nèi)的空氣應(yīng)無強(qiáng)烈流動(dòng)，盡量避免光線折射率的變化。 22 2：儀器的調(diào)整：儀器的調(diào)整 電子經(jīng)緯儀的站位設(shè)置后， 首先要對(duì)它們進(jìn)行精確整平， 整平的目的有兩個(gè)：一是將水 平度盤和垂直度盤歸零

9、，即使 儀器處于水平和垂直的準(zhǔn)確工 作位置上；二是使測(cè)量水平角 和垂直時(shí)投影基準(zhǔn)一致，以形 成CAT測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)坐標(biāo)系 統(tǒng)，保證測(cè)量的真實(shí)性，以減 少測(cè)量誤差。 XZ平面 系統(tǒng)坐標(biāo) X軸和Y軸是水平線 基礎(chǔ)坐標(biāo)系基礎(chǔ)坐標(biāo)系 23 其次，運(yùn)行系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償程序?qū)x器的水平角和垂直角的測(cè)量值進(jìn) 行補(bǔ)償，以得到精確的測(cè)量結(jié)果。 最后為了便于今后檢查儀器的狀態(tài)，需要在一個(gè)穩(wěn)定的位置（如墻 壁）上安放水平方向的零點(diǎn)目標(biāo)，即將其設(shè)為水平角度的零點(diǎn)。 24 3：經(jīng)緯儀定向：經(jīng)緯儀定向 相對(duì)定向即確定儀器間的相對(duì)位置，它由儀器間的相對(duì)互瞄來實(shí)現(xiàn)的， 對(duì)于任何一臺(tái)儀器都必須進(jìn)行三次以上的精確互瞄。也可以通過測(cè)

10、量共同 的基準(zhǔn)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，一般至少需要測(cè)量三個(gè)共同點(diǎn)。 經(jīng)緯儀的定向有兩部分組成：相對(duì)定向和絕對(duì)定向。 絕對(duì)定向的過程就是對(duì)標(biāo)尺測(cè)量的過程，即具體精確尺寸的測(cè)量。其 測(cè)量過程應(yīng)滿足下列要求： （1）標(biāo)尺的擺放位置應(yīng)遍及測(cè)量包線范圍內(nèi)各站位（Station）上的經(jīng) 緯儀視線能掃描到所有標(biāo)尺。 25 測(cè)量比例尺的位置測(cè)量比例尺的位置 26 （2）對(duì)于被測(cè) 工裝應(yīng)擺放數(shù)量足 夠的標(biāo)尺。一般設(shè) 置標(biāo)尺的數(shù)量應(yīng)大 于被測(cè)物的長度除 以標(biāo)尺的長度。 測(cè)量比例尺的設(shè)置測(cè)量比例尺的設(shè)置 27 4：系統(tǒng)精度的檢查：系統(tǒng)精度的檢查 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)定后，必須檢查系統(tǒng)的精度是否符合要求。系統(tǒng)檢 查應(yīng)滿足以下幾個(gè)主要指標(biāo)

11、： （1）Apex角：所有Apex角是否在50130范圍內(nèi)。 （2）瞄準(zhǔn)誤差：所有點(diǎn)和互瞄時(shí)的瞄準(zhǔn)誤差是否小于0.0008。 （3）標(biāo)尺誤差：用于系統(tǒng)定向后的系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)尺，其長度與計(jì)量時(shí) 標(biāo)定長度的差應(yīng)小于0.05mm。 28 5：系統(tǒng)的解算誤差分析和處理：系統(tǒng)的解算誤差分析和處理 在測(cè)量過程中，測(cè)量誤差的存在是不可避免的。測(cè)量誤差大致可分為 兩種：粗大誤差粗大誤差和系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差。 粗大誤差如測(cè)量錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤以及儀器故障產(chǎn)生的誤差。這些誤差 一般通過認(rèn)真檢查和分析是可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 系統(tǒng)誤差是指儀器誤差、標(biāo)尺誤差、瞄準(zhǔn)誤差以及設(shè)站方式給測(cè)量帶 來的誤差等，這些誤差很難避免。 當(dāng)在系統(tǒng)進(jìn)行

12、解算以后，若無法通過合格性檢查，就必須進(jìn)行誤差 分析。首先確定系統(tǒng)是否有粗大誤差，這是因?yàn)?，系統(tǒng)解算的過程是誤 差平均的過程，只要有一個(gè)粗大誤差就會(huì)破壞系統(tǒng)的精度。 29 粗大誤差的排除過程大致按以下幾步進(jìn)行： 測(cè)量點(diǎn)號(hào)錯(cuò)、瞄錯(cuò)或超差。 標(biāo)尺點(diǎn)號(hào)錯(cuò)、瞄錯(cuò)或超差。 互瞄錯(cuò)或超差。 在排除粗大誤差后，如系統(tǒng)仍不合格，就要考慮系統(tǒng)誤差對(duì)精度的 影響。系統(tǒng)誤差主要考慮以下幾方面： 儀器的精度是否合格。 儀器的設(shè)站是否合格。 工作場(chǎng)地空氣流動(dòng)狀況及其溫度梯度的影響。 30 （三）三）CAT系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 CAT系統(tǒng)的工作基本原理，是利用電子經(jīng)緯儀的光學(xué)視線在空間的前方進(jìn)行交 匯形成測(cè)量角，現(xiàn)以

13、兩臺(tái)經(jīng)緯儀為例來說明光學(xué)視線在空間交匯原理。 h B b P A z y x 圖中有兩臺(tái)經(jīng)緯儀設(shè)站于A、 B兩處，它們的高度不同，其高 度差為h，若A、B兩點(diǎn)間水平距 離為b，其坐標(biāo)系統(tǒng)以A點(diǎn)為原 點(diǎn)，AB連線在水平方向的投影 為x軸，過A點(diǎn)鉛垂向?yàn)閦軸，以 右手法則確定y軸，由此構(gòu)成測(cè) 量坐標(biāo)系統(tǒng)。 若b值為已知的話，通過A、B兩處的經(jīng)緯儀互瞄及分別觀測(cè)目標(biāo)P，得到的 觀測(cè)值通過三角運(yùn)算，可計(jì)算出被觀測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)值。 31 在這測(cè)量過程中，兩臺(tái)經(jīng)緯儀的互瞄以及觀測(cè)被測(cè)量點(diǎn)P的過程稱 為相對(duì)定向，因此時(shí)僅起到定向作用，實(shí)際測(cè)量點(diǎn)P的值尚求不出來。 因?yàn)锳、B兩臺(tái)經(jīng)緯儀之間的水平距離b尚未測(cè)出來

14、，此處A、B兩點(diǎn)間 的水平距離b稱作基線，確定基線b長度的過程稱作絕對(duì)定向。 32 絕對(duì)定向的過程如圖所示。圖中A、B為兩臺(tái)經(jīng)緯儀，標(biāo)尺長L，基 線為b。經(jīng)過相對(duì)定向，即A、B兩臺(tái)經(jīng)緯儀互瞄，以及A、B兩經(jīng)緯儀分 別對(duì)標(biāo)尺的兩端點(diǎn)P1和P2進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得結(jié)果是角度值。此時(shí)標(biāo)尺長為L 是已知值，這樣通過三角運(yùn)算可得到基線的長度b。 B b P2 A z y x P1 標(biāo)尺L 絕對(duì)定向原理圖 33 從CAT系統(tǒng)的工作原理可知，空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量值與經(jīng)緯儀的觀 測(cè)值（角度）和基線 b的尺寸有聯(lián)系，而b的尺寸與標(biāo)尺又相關(guān)。因此， CAT系統(tǒng)其空間被測(cè)點(diǎn)的測(cè)量精度不是固定的，而是變化的，即與儀器的 設(shè)

15、站、標(biāo)尺的擺放及其長度以及被測(cè)物體的位置等因素有關(guān)。 為了保證其測(cè)量的準(zhǔn)確度，技術(shù)人員一方面要對(duì)其系統(tǒng)的工作原理有 較深刻的理解，從建立CAT系統(tǒng)過程中確保儀器設(shè)站、標(biāo)尺擺放、觀察角 度等合理可靠；同時(shí)應(yīng)制定較詳細(xì)的實(shí)際操作規(guī)程，包括儀器的保管、定 檢以及參數(shù)設(shè)定等工作。 34 （四）對(duì)飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)制造的影響四）對(duì)飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)制造的影響 飛機(jī)產(chǎn)品全數(shù)字化定義后，配合利用CAT系統(tǒng)安裝飛機(jī)的裝配型架， 這對(duì)于飛機(jī)制造來說，也就走上了數(shù)字化制造方向，即完全以精確的數(shù)字 方式傳遞產(chǎn)品的幾何及其形狀。這樣新的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法對(duì)工裝設(shè)計(jì)就提 出了一些新的要求，如空間零件的定位原理。 TB1 TB3

16、 TB2 x y z 空間零件的定位原理見圖，圖中 TB1、TB2和TB3為三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，用來 放置電子經(jīng)緯儀的觀測(cè)目標(biāo)工具 球。 35 空間中任何零件都有六個(gè)自由度，定位過程就是自由度的限定過程。 只要限定TB1的X、Y、Z坐標(biāo)，就限定了零件沿X、Y、Z移動(dòng)的三個(gè)自 由度，如再限定TB2的Y、Z坐標(biāo)即可限定零件的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，只要 再限定TB3的一個(gè)坐標(biāo)就可限定零件的最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該方法為 最常用的定位方法，將這種定位方法稱為321原則。 36 （五）五）CAT技術(shù)的應(yīng)用情況技術(shù)的應(yīng)用情況 電子經(jīng)緯儀是一種先進(jìn)的高精度工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)。在中短距離內(nèi)有極高 的測(cè)量精度，在20m內(nèi)測(cè)量精確度可

17、達(dá)0.05mm；同時(shí)，又具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù) 處理與分析功能，在航空、航天、機(jī)械、建筑、石油化工、交通運(yùn)輸?shù)刃?業(yè)中可廣泛應(yīng)用。 電子經(jīng)緯儀可對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品理論外形和大尺寸結(jié)構(gòu)件進(jìn)行幾何量測(cè)量。既 可用于產(chǎn)品排故，又可用于產(chǎn)品檢查。 CAT系統(tǒng)在MD90飛機(jī)得到了很好的應(yīng)用。不但完成了技術(shù)難度極 大、精度要求高的MD90飛機(jī)的尾段總裝型架、對(duì)合型架和垂尾總裝型 架的安裝測(cè)量任務(wù)，而且完成了大量復(fù)雜的737700后段裝配工裝的制 造工作。 37 13.2 激光跟蹤儀激光跟蹤儀 激光跟蹤儀是近十幾年才發(fā)展起來的新型測(cè)量儀,它集激光干涉測(cè)距 技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì) 算理

18、論等于一體,可對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間 三維坐標(biāo),具有安裝快捷、操作簡便、實(shí)時(shí)掃描測(cè)量、測(cè)量精度及效率高 等優(yōu)點(diǎn)。 使用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量時(shí),被測(cè)尺寸范圍可從一米到幾百米,跟蹤 頭到被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的最大距離為35m，測(cè)量效率可比傳統(tǒng)的大型三坐標(biāo)測(cè) 量儀（CMM）、經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)和攝影測(cè)量系統(tǒng)等提高數(shù)倍。 38 （二）激光跟蹤儀的工作原理（二）激光跟蹤儀的工作原理 激光跟蹤儀為一個(gè)球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量原理如下圖所示。為 被測(cè)點(diǎn)，通過測(cè)量極徑和兩個(gè)方位角和，即可確定被測(cè)點(diǎn)的空間 坐標(biāo)。 39 激光跟蹤儀主要由跟蹤頭、目標(biāo)反射鏡、控制電箱和測(cè)量軟件構(gòu)成。 跟蹤頭內(nèi)部有一套激光干涉系統(tǒng)、兩套角度編碼器、電機(jī)以及光電接受 器件等。 激光器發(fā)出的光束照射到一個(gè)可沿水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn)的平面轉(zhuǎn) 鏡上，經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反射的光束照射到位于被測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)反射鏡上。目標(biāo)反 射鏡采用貓眼貓眼或角錐棱鏡角錐棱鏡的形式。 40 采用貓眼時(shí)，入射光束方向在60范圍內(nèi)變化時(shí)仍可正常工作； 采用角錐棱鏡時(shí)，這一角度變化范圍只有20。 貓眼的體積和重量比角錐棱鏡大一些，光能損失也較大。 41 由目標(biāo)反射鏡反射回來的光束被分光鏡分為兩路，一路進(jìn)入激光干 涉系統(tǒng)形成