大尺寸三坐标测量方法与系统

２００７年８月　宇航计测技术　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ　Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ａｕｇ．，２００７　Ｖ　ｏＪ．２７．Ｎｏ．４　第２７卷第４期　文章编号：１０００—７２０２（２００７）０４～００１５—０５　中图分类号：ＴＢ９２　文献标识码：Ａ　大尺寸三坐标测量方法与系统　黄桂平钦桂勤　（信息工程大学测绘学院，郑州４５００５２）　摘　要　根据大尺寸测量的需求和应用，对类大尺寸三坐标测量方法和系统的原理、特点进行了介绍　详述了比较研究，给出了一些有益的建议和结论。　关键词　大型工件　三坐标测量激光扫描数字摄影测量　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　３　Ｄ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＨＵＡＮＧ　Ｇｕｉ－－ｐｉｎｇ　ＱＩＮ　Ｇｕｉ－－ｑｉｎ　ｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ＆Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００５２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｒｎ　ｄｅｍａｎｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎ—　ｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　８　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　３　Ｄ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｌａｒｇｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　３　Ｄ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｈｏｔｏｇｒａｍ。　ｍｅｔｒｙ　１　引　言　随着现代工业的发展，尤其是以数字制造为核　心的先进制造技术的迅猛发展，对精密测量技术提　且，在很多行业和领域（如汽车制造业），测量已深　入到生产过程中，即进行在线检测　，而在一些大　型工程中则需要现场检测；在逆向工程（ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎ—　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）中，测量不再仅仅是“服务“行业，它已成　为整个先进闭环制造过程中一个不可缺少的关键环　节　，如图１所示。　出了新的要求。精密测量技术一方面要为先进制造　技术担负起质量技术保证的重任，另一方面又不能　单纯为检测而检测，而是要为产品生产效益的提高　贡献力量　。　与其它技术一样，测量的方式、方法正向多样　化发展。对几何量测量来说，其测量尺度正在向两　个极端发展——小尺寸方向和大尺寸方向。小尺寸　方向正在进行微米测量和纳米测量的研究与应　用　Ｊ。本文关注的大尺寸测量主要指“几米至几百　传统制造业中的测量大多是“事后”测量，也即　是在生产过程后被动的抽查式测量。而现代先进制　造技术的一个理想目标就是要实现零废品制造，不　仅零部件的质量要用测量来保证，而且加工的设备　以及整机的装配质量都需要精密测量来保证。而　米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等　的测量”　。　收稿日期：２００６—１０—１７　作者简介：黄桂平（１９７３一），男，博士，主要从事大尺寸坐标测量方法与系统、工业摄影测量和视觉测量等方向的研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・１６・　宇航计测技术　２００７征　图１先进闭环制造系统示意图　２大尺寸坐标测量方法及系统　几何量测量主要包括角度、距离、位移、直线度　和空问位置等量的测量，其中最为通用和普及的就　是确定位置的三维坐标测量，而其它一些待测量指　标均可以对坐标进行一定的计算间接得到。目前，　可以实现大尺寸三维坐标测量的方法和系统按照所　使用的主要传感器可以分为以下类　ｊ。　２．１三坐标测量机（ＣＭＭ）　ＣＭＭ是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通　过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。　它的优点是测量准确、效率高、通用性好；其不足是属　于接触式｝贝０量方式、不易对准特征点，对测量环境要　求高、不便携、测量范围小。目前，Ｂｒｏｗｎ＆Ｓｈａｒｐｅ公　司生产的ＬＡＭＢＤＡ　ＳＰ型龙门式巨型坐标测量机的　最大测量空间达到了３　Ｉｌｌ×１０　Ｉｌｌ×２　Ｉｌｌ，如图２所示。　樯蓥黧　图２　ＬＡＭＢＤＡ　ＳＰ型ＣＭＭ图　２．２经纬仪测量系统（Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅｓ）　经纬仪测量系统是由两台以上的高准确度电子　经纬仪（如Ｌｅｉｃａ的Ｔ３０００，水平角和垂直角的测角　误差皆为±０．５”）构成的空问角度前方交会测量系　统，是在大尺寸测量领域应用最早和最多的一种系　统，由电子经纬仪、基准尺、通讯接口和联机电缆及　微机等组成，如图３。在国内，测绘学院自上　世纪８０年代末就在此方面开展了大量的研究与应　用　０ｊ，天津大学也在此方面进行了研究０　。　经纬仪测量系统的优点是测量范围较大（２　ｍ　至几十米），是光学、非接触式测量方式，测量准确　度比较高，在２０　ｍ范围内的测量误差可达到±１０　图３　ＭｅｔｒｏＩｎ经纬仪测量系统图　￣ｘｍ／ｍ；其不足是一般采用手动照准目标，逐点测　量，测量速度慢、自动化程度不高。但目前已出现了　带马达驱动的经纬仪（如Ｌｅｉｃａ的ＴＭ５１００Ａ），在重　复测量时不需人眼瞄准目标，实现自动化测量。　上个世纪８０年代开始，许多厂家相继推出了多　个商业化的系统，如Ｌｅｉｃａ公司到目前为止推出的　系统就有ＲＭＳ２０００，ＭａｎＣＡＴ，ＥＣＤＳ３和Ａｘｙｚ／ＭＴＭ　等，测绘学院也推出了国产化的商业系统　ＭｅｔｒｏＩｎ［　２．３全站仪测量系统（Ｔｏｔａｌ　Ｓｔａｔｉｏｎ）　全站仪是一种兼有电子测角和电子测距的测量　仪器。其坐标测量原理最为简单，是空问极（球）坐　标测量的原理，它是测绘行业应用最广和最通用的　一种“坐标测量机”。　早在１９９０年之前，瑞士Ｌｅｉｃａ公司就推出了商　业化系统ＰＣＭＳｐｌｕｓ，其全站仪采用ＴＣ２００２，测角误　差为±０．５”，测距标称误差为±（１　ｍｍ＋１０　ｍｍ）。　目前，被称为测量机器人的带自动照准和自动识别　目标（ＡＴＲ）技术的全站仪（如ＴＤＡ５００５，见图４）已　出现并广为应用Ｌ　２２］。　图４　ＴＤＡ５００５全站仪图　全站仪坐标测量系统只需单台仪器即可测量。　因此，仪器设站非常方便和灵活，测程较远，特别适　合测量范围大的情况，ＴＤＡ５００５构成的系统在　１２０　１３３范围内使用精密角偶棱镜（ＣＣＲ）的测距误差　能达到±０．３　ｍｍ。闩本ＳＯＫＫ１Ａ公司推出了ＭＯＮ—　ＭＯＳ全站仪测量系统，采用ＮＥＴ１２００全站仪在　１００　Ｉｌｌ范围内对反射片测量误差为±０．７　ｍｍ。由于　一般必须要合作目标（如棱镜或反射片）才能测距，　所以它无法直接测量目标点；测距固定误差的存在，　使其在短距离（小于２０　Ｉｌ１）测量时相对准确度较低。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　大尺寸三坐标测量方法与系统　虽然目前已出现了无需棱镜测距的全站仪（如Ｌｅｉｃａ　的ＴＣＲ１１０１），但测距误差较大，达±３　ｍｍ。　２．４激光跟踪测量系统（Ｌａｓｅｒ　Ｔｒａｃｋｅｒ）　心　图６激光扫描仪ＨＤＳ图　激光跟踪测量系统是由单台激光跟踪仪构成的　球坐标测量系统，其测量原理和全站仪一样，仅仅是　测距方式（单频激光干涉测距）的不同¨　。刘永东、　李杏华等对跟踪机构的设计、原理到样机进行了一　系列的研究¨　，　Ｊ，周维虎、陈继华等对系统的实际　ｄａｒ　ｓｃａｎｎｅｒ）ＬＲ２００则达到１００　ＧＨｚ，它在１０　ｍ以上　性能展开了试验、测试与应用¨　”Ｊ。实际测量时又　可以分为单站距离、角度法和多站纯距离法。　Ｌｅｉｃａ公司于１９９０年就推出了第一代商用激光　跟踪测量系统ＳＭＡＲＴ３１０，美国的ＡＰＩ公司和ＦＡＲＯ　公司也相继推出了各自的系统，见图５。　鑫　（ａ）Ｌｅｉｃａ　（ｃ）ＦＡＲＯ　图５商用激光跟踪测量系统图　由于干涉法距离测量的准确度高，测量速度　快，因此激光跟踪仪的整体测量性能和准确度要优　于全站仪。在测量范围内（一般小于５０　ｍ），坐标重　复测量误差达到±０．００５；绝对坐标测量误差达到　±０．１。但在单项指标上，如测角误差比全站仪的要　低，测量范围也比全站仪要小。　２．５激光扫描测量系统（Ｌａｓｅｒ　Ｓｃａｎｎｅｒ）　激光跟踪测量系统具有测距准确度高的特点，但　是测距为相对测距，需要保持在跟踪过程中激光束不　能丢失。另外，测距需要合作目标（反射器）配合，因此　是一种接触式的测量系统，往往给测量带来诸多不便。　采用其它非干涉法测距方式不需要合作目标来实　现距离的测量，称为激光扫描测量系统。激光扫描仪　的测距原理分为三种：一是脉冲法激光测距，二是激光　相位法测距，三是激光三角法测距¨　。　基于脉冲法测距的激光扫描仪准确度较低，一般　为毫米级，但其测程较长，如Ｌｅｉｃａ公司的ＨＤＳ３０００　型激光扫描仪（最大测程１００　ｍ，测距误差为±４　ｍｍ，　曲面建模误差为±２　ｍｍ，见图６），故其主要应用于土　木工程测量、文物和建筑物的三维测绘等领域。　相位法测距的准确度和调制频率有关，一般全　站仪的测距频率最高为５０　ＭＨｚ～１００　ＭＨｚ，但美国　Ｍｅｔｒｉｃ　Ｖｉｓｉｏｎ公司推出的激光雷达扫描仪（１ａｓｅｒ　ｒａ一　距离绝对测量误差可达±０．１　ｍｍ，测量范围为２　ｍ　～６０　ｍ，见图７。　图７激光雷达扫描仪ＬＲ２００图　基于激光三角法测距原理的扫描测量系统又　称结构光扫描仪（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ｓｃａｎｎｅｒ）。以半导　体激光器作光源，使其产生的光束照射被测表面，经　表面散射（或反射）后，用面阵ＣＣＤ摄像机接收，光　点在ＣＣＤ像平面上的位置将反映出表面在法线方　向上的变化，即点结构光测量原理（见图９）。　图８　Ｓ１０激光扫描仪图　图９激光三角法测距原理示意图　目前，世界上生产各种型号结构光扫描仪的厂　家很多，如德国ＧＯＭ公司的ＡＴＯＳ系列、德国Ｓｔｅｉｎ　ｂｉｃｈｌｅｒ公司的Ｃｏｍｅｔ、德国Ｂｒｅｕｃｋｍａｎｎ公司的ｏｐｔｏ—　ＴＯＰ—ＨＥ、及法国Ｍｅｎｓｉ公司的Ｓ１０／￥２５等。法国　Ｍｅｎｓｉ公司的Ｓ１０扫描仪（见图８）扫描距离为０．８　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１８・　宇航计测技术　２００７年　ｍ～１０　ｍ，扫描误差为±１　ｍｍ，三维建模误差为　±０．３　ｍｍ。　激光扫描仪可以获取海量的点云数据，尤其适　用于实体的三维建模，其不足之处在于无法对某一　特定的点进行精确测量（不好精确瞄准特征点）。　２．６关节式坐标测量机（Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ　Ａｒｍｓ）　关节式坐标测量机是一种便携的接触式测量仪　器，对空间不同位置待测点的接触模拟人手臂的运　动方式。仪器由测量臂、码盘、测头等组成［见图１Ｏ　（ａ）］，各关节之间测量臂的长度是固定的，测量臂　之间的转动角可通过光栅编码度盘实时得到，转角　读数的分辨力可达１．０”，测头功能同三坐标测量　机，甚至可以通用。　（ａ）普通式　（ｂ）附激光扫描头式　图１０关节式坐标测量机图　关节式坐标测量机利用空间支导线的原理实　现三维坐标测量功能，它也是非正交系坐标测量系　统的一种¨　。和三坐标测量机比较，关节式坐标测　量机的测头安置非常灵活，和其它光学测量系统比　较，它不需要测点的通视条件，因此在一些测点通视　条件较差的情况下（隐藏点），非常有效，例如汽车　车身内点的测量等。但由于关节臂长的，它的　测量范围有限（最长可以到４　ｍ），但可以采用“蛙　跳”的方法（公共点坐标转换法），或附加扩展测量　导轨支架的方法来扩大其测量范围。　目前，生产关节式坐标测量机的厂家较多，主要　有美国Ｆａｒｏ公司、ＣｉｍＣｏｒｅ公司和ＲＯＭＥＲ公司，德　国ＺｅｔｔＭｅｓｓ公司、意大利的Ｇａｒｄａ公司等。有些厂　家正在采用在其测头上附加小型结构光扫描仪的方　法来实现对工件的三维快速扫描，称为激光扫描测　量臂。这种系统集接触式与非接触式系统优点于一　体，如Ｆａｒｏ公司的产品ＳｃａｎＡｒｍ见图１０（ｂ）。　２．７室内ＧＰＳ（Ｉｎｄｏｏｒ　ＧＰＳ）　所谓室内ＧＰＳ是指利用室内的激光发射装置　（基站）不停地向外发射单向的带有位置信息的红　外激光，接收器接受到信号后，从中得到发射器与接　受器问的两个角度值（类似于经纬仪的水平角和垂　直角），在已知基站的位置和方位信息后，只要有两　个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接　收器的三维坐标。基站的位置和方位通过光束法来　进行系统定向后完成，这样不需要已知控制点，只要　一个基准尺度就可以了。　与ＧＰＳ不同的是，室内ＧＰＳ采用室内激光发射　器来模拟卫星；它不是通过距离交会，而是用角度交　会的方法。与经纬仪系统不同的是，它不是通过度　盘来直接测量角度，而是通过接收红外激光来间接　得到角度值，因而就不再需要人眼去瞄准待测点了。　美国Ａｒｃ　Ｓｅｃｏｎｄ公司生产的室内ＧＰＳ（见图　１１），其测量频率达到了２Ｏ　Ｈｚ，测量空间范围从几　米到几百米，如果采用四个以上的基站，１０　ｍ测量　空间内测量误差可以达到±０．１２５　ｍｍ。　≥：　（ａ）系统组成　（ｂ）测量示意图　图１１　Ａｒｃ　Ｓｅｃｏｎｄ公司的室内ＧＰＳ图　２．８工业数字摄影测量系统（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｐｈｏｔｏｇｒａｍ－　ｍｅｔｒｙ）　摄影测量在工业测量和工程测量中的应用一般　称为近景摄影测量或非地形摄影测量。它经历了从　模拟、解析到数字方法的变革，硬件也从胶片像机发　鋈一　　展到数字像机。本文将针对工业测量应用的数字近　景摄影测量称为工业数字摄影测量。　工业数字摄影测量是通过在不同的位置和方向　获取同一物体的２幅以上的数字图像，经计算机图　像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的　三维坐标。其测量原理和经纬仪测量系统一样，均　是三角形交会法（见图１２）。　图ｌ２数字摄影测量系统图　工业数字摄影测量系统一般分为单台像机的　脱机测量系统和多台像机的联机测量系统。此类系　警　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　大尺寸三坐标测量方法与系统　・１９・　统与其它类系统一样具有准确度高、非接触测量和　便携性好等特点。此外，还具有其它系统所无法比　拟的优点：测量现场工作量小、快速、高效和不易受　温度变化、振动等外界因素的干扰。国外的生产厂　家和产品很多，如美国ＧＳＩ公司的Ｖ—ＳＴＡＲＳ系统，　见图ｌ３，挪威Ｍｅｔｒｏｎｏｒ公司的Ｍｅｔｒｏｎｏｒ系统，见图　ｌ４和德国ＡＩＣＯＮ　３Ｄ公司的ＤＰＡ—Ｐｒｏ系统等。　，　。　３结束语　近年来，由于我国国民经济的快速发展，在航　空、航天、电子、汽车、造船、通讯、核工业、水利水电、　武器装备等行业和领域中的生产和工程中都已对大　尺寸测量提出了期望和明确要求，如飞船推进舱测　量（　３　ｍ）、飞机桁架（２０　ｍ以上）、导弹总装测量　（７　ｍ～１０　ｍ）、大型水轮机座环测量（　ｌ２　ｍ），大　型天线测量（１０　ｍ～５０　ｍ）等　。　相对于国外比较成熟的研究、开发和应用，以及　国内日趋增加的应用需求而言，国内在大尺寸三坐　标测量技术和方法的研究、开发及商品化方面已处　于滞后发展阶段。因此，对大尺寸坐标测量技术的　研究具有重要的现实意义。　参考文献　［１］叶声华，王仲，曲兴华．精密测试技术展望．中国机械　工程，２０００，１１（３）：２６２～２６４．　［２］　熊有伦．数字装备与数字制造，ｈｔｔｐ：／／　：！　塑：　第四届中国国际机电产品博览会组委会，２００３．　［３］　叶声华，邾继贵等．视觉检测技术及应用．中国工程科　学，１９９９，１（１）：２６２～２６３．　［４］　谢华锟．现代精密量仪现状及水平一从近几届中国国　际机床展览会看量具量仪发展趋势．现代切削与测量　工程（国际）研讨会，成都：２００４，１０．　［５］　张国雄，裘祖荣．测试技术的作用与发展方向．现代切　削与测量工程（国际）研讨会，成都：２００４．　［６］　黄桂平．数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用　【博士论文】．天津：天津大学，２００５，５．　［７］　李广云，倪涵，徐忠阳．工业测量系统．北京：出　版社，１９９４．　［８］　李广云．工业测量系统最新进展．北京：出版　社，２０００．　［９］　黄桂平，李广云、叶声华等．大尺寸坐标测量系统开发　与应用．仪器仪表学报２００２（３）增刊．　［１０］　李广云．非正交系坐标测量系统原理及进展．测绘信　息与工程，２００３，２８（１）：４—１０．　罗明，段发阶，叶声华．非接触式光学柔性三坐标测　量系统．光电工程，１９９６，２３（３）：１８～２３．　［１２］　熊春宝，叶声华．经纬仪工业测量系统的模型研究．　武汉测绘科技大学学报，１９９８，２３（３）：２３３～２３７．　［１３］　Ｌａｕ　Ｋ．Ｈｏｃｋｅｎ　Ｒ　Ｊ，Ｈａｉｇｈｔ　Ｗ　Ｃ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｌａｓｅｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｒｏｂｏｔ　ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ．Ｐｒｅ—　ｃｉｓｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８６，８（１）：３～８．　［１４］　刘永东，王佳，梁晋文．动态目标全姿态激光跟踪测　量．激光与红外，１９９９，２９（３）：１４８～１５１．　［１５］　李杏华，张国雄．激光跟踪测量中三维跟踪机构的设　计．计量技术，２００１，９：５～７．　［１６］　周维虎．大尺寸空间坐标测量系统精度理论若干问　题的研究【博士学位论文】．合肥：合肥工业大学，　２０００．　［１７］　陈继华．激光跟踪仪和全站仪测量系统在上海光源　（ＳＳＲＦ）工程中的应用研究【硕士学位论文】．郑州：　信息工程大学测绘学院，２００１．　［１８］　孙长库，叶声华．激光测量技术．天津：天津大学出版　社，２００１．　［１９］　张国雄．三坐标测量机．天津：天津大学出版社，１９９９．