工业测量的复习资料讲诉.docx

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工业测量的复习资料讲诉

工业测量的技术手段和仪器设备，伴随着科学技术的发展与应用，其名目繁多。

但归纳起来，最主要是以电子经纬仪或全站仪，摄影仪或显微摄影仪，激光扫描仪等传感器，在电子计算机和软件的支持下形成的三维测量系统，系统大概可分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以摄影仪或显微摄影仪为传感器的工业摄影测量系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。

除此以外，还有基于莫尔条纹的工业测量系统，基于磁力场的三维量测系统，用于空间抛物体运动轨迹测定的全球定位系统等。

5．1工业大地测量系统 

工业大地测量系统发展最早，应用较广  

5．2工业摄影测量系统 

工业摄影测量系统，是借助目标的影像，通过图像处理和摄影测量处理过程，以获取目标 的几何状态和运动状态。

其优点是通过像片提供大量信息，施测周期短，可在瞬间完成测量全 过程，可对动态目标进行测量，可多重摄影，有多余观测值，精度可靠，相对精度可达百万分之一。

特别适用于待测点密集的目标，适用于目标环境不甚稳定，乃至剧烈变化的目标，适用于 工业生产流水线上产品的快速检测  

5．3地面激光雷达系统， 

前面3．2节中所说的地面激光雷达系统，最初是为工业测量设计的三维工业测量系统，如 瑞士研制Cyrax激光扫描仪，具有扫描范围大，速度快，分辨率高、建模快，拼接好的特点，激光 扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵 可以转换成三维模型，二维平面图，等高线图或断面图。

它的问世，使三维工业测量系统加速 向自动化、智能化、多用途方向发展。

三维工业测量系统是在制造业和机械安装检测行业中，利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的控制下，对工件和产品进行精密三维坐标测量的复杂系统。

根据测量数据的获取方式不同总体上可分为接触式和非接触式两类。

接触式测量设备的主要代表是三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM），它是传统的通用坐标精密测量设备，在制造业乃至世界范围内得到了很广泛的应用，并已经成为3D检测工业标准设备。

该设备主要是通过探头在被检测物体上移动的方式获取工件特征点的三维坐标。

在逆向工程应用的初期，CMM是数据采集的主要手段，它的优点是测量精度高（三维空间精度可达1．2 u叫，成本低，适应性强，可对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量，缺点是测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量，数据需进行测头半径补偿，且受到直线型导轨运动的限制，测量范围有限，一般不超过2米。

此外，采用非接触式测量方法的还有基于机器人的柔性坐标测量系统，该系统是以机器人本体为运动平台，配合精密测头，实现空间测量。

它是将CMM的直线导轨形式转化为灵活的关节运动形式，因而具有很好的运动效率和紧凑的安装空间，缺点是受到运动形式的影响，测量精度和测量范围受到了很大的限制。

非接触式测量方法是利用某种与物体表面发生相互作用的的物理现象来获取三维信息，根据测量原理的不同可以分为：

反射式和投射式两类，在反射式中根据采用媒介的不同又可分为：

光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，其中较为成熟的是光学测量，包括三角形法、激光扫描、结构光法、莫尔条纹、摄影视觉图像处理等方法。

使用反射式测量方法的三维工业测量系统主要有：

经纬仪工业测量系统、近景数字摄影测量系统、激光跟踪测量系统等，本文研究的主要对象一地面三维激光扫描系统也属于这一范畴。

以上各系统的原理及特点归纳总结如下：

1）经纬仪工业测量系统以空间交会三角测量原理为基础，采用多经纬仪组合，结合精密定向技术，理论上可实现10 u m／m的精度，且便于携带，但测量效率低，需人工瞄准，工作强度大，测量结果易受到人为因素影响。

代表设备有美国制造的解析工业测量系统_AIMSRT。

2）近景数字摄影测量系统采用类似于经纬仪系统的空间交会三角测量模型，不同的是它采用高性能数字成像器作为传感元件，结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体的自动识别、瞄准和测量。

优点是测量过程实现了自动化，消除人为误差，有效提高了测量的精度，施测周期短，测量效率大大提高。

我国近景数字摄影测量系统一般精度较低，但也得到较多的应用并卓有成效，如北京市测绘设计研究院将其用于测绘大飞机外型；武汉测绘科技大学将其用于葛洲坝船闸变形监测、龙口及上下游水面流速动态测量等。

3）激光跟踪测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统。

该系统是基于空间极坐标测量原理，给定点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角H和垂直角V，以及反射镜到跟踪头的距离S来计算，它具有快速、动态、精度高等优点，在航空航天、机械制造、核工业等测量领域应用广泛，Leica公司、API公司、以及SMX公司都先后推出了各具特色的激光跟踪测量系统。

4）三维激光扫描系统也是建立在长度精密测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统，具有快速、动态、精度高的优点，它通过用户主动设置扫描区域、扫描间隔等参数进行自动化扫描，扫描数据的单点位精度可达到毫米级。

目前国内外使用较多的设备有Leica的HDS系列、北京荣创兴业科技发展有限公司的ViScan系列、美国的FARO等公司推出的产品。

本文研究的主要对象——三维激光扫描系统，也称为三维激光成图系统，主要由三维激光扫描仪硬件和数据后处理软件组成。

一般来讲，测绘用激光扫描仪根据扫描的空间位置或者系统的运行平台来划分可以分为三类：

 机载型激光扫描系统。

这类系统由激光扫描仪、飞行惯导系统、DGPS定位系统、成像装置、计算机以及数据采集器、记录器、处理软件和电源等构成。

DGPS系统给出成像系统和扫描仪的精确空间三维坐标，惯导系统给出其空中的姿态参数，由激光扫描仪进行空对地式的扫描来测定成像中心到地面采样点的精确距离，再根据几何原理计算出采样点的三维坐标。

 地面激光扫描仪系统。

此类别又可划分为两类，一类是移动式扫描系统，一类是固定式扫描系统。

所谓移动式扫描系统是集成了激光扫描仪、CCD相机及数字彩色相机的数字采集和记录系统、GPS接收机、基于车载平台，由激光扫描仪和摄影测量获得原始数据作为三维建模的数据源。

而固定式的扫描仪系统类似于传统测量中的全站仪，它有一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机以及软件控制系统组成，二者的不同之处在于固定式扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的“点云"数据，这些点云数据可以直接用来进行三维建模，而数码相机的功能是提供对应模型的纹理信息。

 手持型激光扫描仪。

这是一种便携式的激光测距系统，可以精确的对物体进行长度、面积、体积测量。

可以帮助用户在数秒内快速的测得精确可靠的成果，此类型的仪器配有联机软件和反射片，如Leica的迪士通系列产品。

工业测量的内容、技术、手段、特点（精度和适用场合）

多种工业测量的实际作业方法和过程

工业摄影测量方法的应用场合

 1）目标上待测点密集，单一目标上有很多待测点；

 2）目标处于震动、水下、高速运动、有毒害、难以接近等环境，即便是待测点数不多的情况。

测角仪器的应用场合

v 经纬仪、电子经纬仪和全站仪等测角仪器，在工业测量中适用于目标上待测点稀疏但精

v度要求较高，而又无法或不利于使用专用传感器和摄影测量方法的场合。

工业测量的内容

 任务：

v工业测量（Industrial Measurment System）：

工业测量是将测量方法和技术应用于精密制造工业、精密机械安装工业和精密变形监测等，对部件、产品及构筑物的形体进行精密的一维到三维坐标的测量。

通过数据处理与分析来解决设计、仿制（含仿真）、检测、放样、质量控制（含流水线和机器人运动轨迹测定）和动态监测中与目标的形状尺寸及运动状态等有关的问题。

内容：

——外形测量

 ——放样、安装、变形测量

 ——风洞试验室、水工实验室中、汽车碰撞试验

 ——油船舱体容积的测定；

 ——大量人工构筑物内结构测量，如铁路公路隧道、城市地下铁道、海底或

水下髓道、矿山大型巷道和采空区、各类地下军事工程、地下防空工程、舰艇洞

库、飞机洞库、油库与弹药库、水电站的排水泄水洞、排沙洞、机组叶片和坝内

结构、各类运输车船的内结构等；

——文物测量

 ——质量检测   iGPS 

特点——与工程测量的比较

v 常规工程测量：

1　土木工程等露天目标，空间坐标和几何尺寸

2　全站仪，GPS，水准仪为主要设备

3　点位绝对精度低，目标尺寸大

v工业测量：

车间或实验室内设备，工业产品和零部件为测量目的

1　几何量：

坐标，长度同轴度、跳动..几何点位精度高

2　绝对精度高，目标尺寸小，测量频率较高

工业测量技术

v 一维、二维测量技术

1　角度测量

2　倾斜测量

3　 精密高程测量

4　准直测量

5　 距离测量

6　长度测量

v机械法（温度，拉力）：

游标卡尺、千分尺

1　用于测量孔、轴的内、外直

2　径或者物体的厚度

3　 电子读数的分辨率达到几个微米

电磁波测距法（大气）

4　测程超过100米毫米级精度

5　高精度远程测距仪测程5km  +-0.2mm    

6　双色测距仪消除大气影响    100m    0.2mm 

电磁波测距影响因素 

7　仪器本身的误差：

加常数、乘常数、周期误差

8　 大气折光引起的误差：

温度、湿度、气压

  激光干涉法（大气）

9　激光绝对干涉测距

10　距离变化测量

 检测孔和轴的同轴度及跳动度；

检测工件的平行度和直线度或用作某些测量装置的测量元件。

角度测量

11　 经纬仪角度测量---绝对编码法\增量编码法

12　角度测量精度有限

13　 动态测角法  0.1秒

14　 激光干涉角度测量    0.082秒

15　 圆光栅测量法可获得运动物体的角度

16　 测角仪法 全站仪\经纬仪原理

17　 自准直仪法

18　正弦规测量   3秒到5秒

高程测量 

1）精密几何水准 

2）流体静力水准

3） 三角高程

准直测量

1　 光学准直

2　 机械准直

3　 波带板激光准直

4　  光学自准直    30m    1-2“

 三维坐标测量技术

1） 经纬仪系统

2）  极坐标系统

3） 工业摄影测量

激光跟踪测量系统 

坐标测量机  

关节臂测量机 

iGPS  

激光扫描测量系统

经纬仪系统 

1）经纬仪交会系统的特点

◆设备简单，价值低

◆精度高（亚毫米）

  基准尺精度优于0.01mm 

测角精度高0.5”

 有内觇标及照准标志

 望远镜焦距长，利于清晰照准目标

 自准直功能（平面镜）

◆可以进行无接触测量

◆操作较复杂

◆速度慢

◆需要合适空间，需要可视

◆精度不均匀，与距离有关

适合于小空间、少量点的高精度测量

极坐标系统（全站仪测量系统）

 高经济性  灵活性

 定向 测角  测距

工业全站仪的特点

Ø精度高，120m范围内测距绝对精度为0.5mm左右；

Ø 增加目标自动识别功能，可用于目标跟踪

Ø 不存在构型问题

应用

✧ 在线质量控制

✧ 自动化操作

✧ 远程控制

工业摄影测量

 工业摄影测量是重要手段，特别适用于目标上待测点众多、目标不可接近、目标处于运动状态、目标处于变形、震动、有害环境、无稳定的传感器架设平台等情况

被测物体距摄影机的距离小于100米左右时称之为近景摄影测量

瞬间获取被测物体大量表面信息，动态测量和形状测量

 非接触手段，适合在恶劣环境的测量

常用交向摄影测量，保证测点的有较大的重叠度

 可以快速提供高精度的测量成果，相对精度可达到千分之一到百万分之一

摄影测量设备

按照摄影设备的的测量功能：

量测相机：

多用于各种高精度的测量任务（工业测量）；

半量测相机；

非量测相机：

适是用于各种中、低精度的测量任务

按照摄影设备的结构：

模拟相机；数码相机

按照摄影作业方法：

单个相机；立体相机

方法流程 

测量计划（要求、测量方案等）

 测量物体范围和工作量；

 能达到的精度；

 是否需要人工标志；

 环境条件如何（摄影地点，闪光、干扰等）；

 检验方法或者精度验证；

 现场允许测量的时间；

 数据处理时间；

 成果递交形式（坐标、图像、接口、实时等）

摄影测量与数据处理 

测量结果的后续处理

对水下人工构筑物（如钻井平台、沉船、古建筑）以及其他目标的精确测量，惟一的方法是

水下摄影测量

数字近景摄影测量系统V-STARS系统技术特点

（1）高精度：

单相机系统在10m 范围内测量精度可以达到0.08mm，而双相机系统则可以达到0.17mm；

（2）非接触测量：

光学摄影的测量方式，无需接触工件；

（3）测量速度快：

单相机几分钟即可完成大量点云测量，双相机实时测量；

（4）可以在不稳定的环境中测量（温度，震动）：

测量时间短 受温度影响小，双相机系统可以在不稳定环境中测量；

（5）特别适合狭小空间的测量：

只要0.5m空间即可拍照、测量

（6）数据率高，可以方便获取大量数据：

像点由计算机软件自动提取并量测，测量1000个点的速度几乎与10个点的一样； 

（7）适应性好：

物体尺寸从0.5m 到100m 均可用一套系统测量

（8）便携性好：

单相机系统1人即可到现场开展测量工作

该系统主要用于对静态物体的高精度三维坐标测量，测量时只需要手持相机距离

被测物体一定距离从多个位置和角度拍摄一定数量的数字像片，然后由计算机软

件自动处理（标志点图像中心自动定位、自动匹配、自动拼接和自动平差计算）

得到特征标志点的X、Y、Z坐标。

V-STARS 系统在国外航空航天、天线制造，汽车、造船、核工业等诸多领域均有广泛应用

10m范围的测量精度达到0.044mm

三坐标测量机（CMM）

将被测零件放入它允许的测量空间，三坐标量测机就是通过测头在三个相互垂直导轨的动，精确的测出被测零件表面点在空间的三个坐标位置的数值。

将这些点的坐标数值经计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。

三坐标测量机的具体测量步骤 

测头校准 

建立工件坐标系（原点、方向） 

工件测量  

测量分析

基本元素的测量 

构造相关几何量 

检测报告 

应用：

文物测量、机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、模型、机器等中小配件；箱体、机架、齿轮、凸轮、涡轮、叶片、曲线曲面等测量；电子五金塑胶

激光跟踪测量系统

 可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间三维坐标，具有安装快捷、操作简

便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点，被誉为―便携式CMM‖。

测量过程

布站——公共基准点

建立测量坐标系

 测量截面点云

物体坐标系转换

测量数据处理和模型重构

应用：

（无需人员观测，快速、动态、远距离、高准确度）飞机、汽车、轮船部件的外形监测 

核工业精密设备的安装测量

 隐点在线监测

 基于CAD的监测

 大尺寸部件测量

 机器人的调整

 系统装配和部件装配

 工装检测和研发

 微型基准网的建立

地面三维激光扫描系统

特点

扫描式

漫反射

自动化

作业流程

制定作业计划

 坐标系的选择

 扫描仪及其配准靶标的选择

 扫描站的选择

 现场扫描

 连接设备，设置参数（重复次数，分辨率）

 靶标坐标测量

应用

 --土木工程测量：

道路、大坝、隧道、轨道等形状测量

地形测量：

高陡变坡

数字工场：

厂房结构、管道的三维资料

文物保护

 滑坡监测

 建筑物检测

  测量隧道

 虚拟现实（逆向工程）：

实际形状与设计形状的对比

 高压线

 交通事故现场数据采集

iGPS

Indoor GPS主要应用于飞机制造、卫星制造等航空航天领域，汽车、造船以及工业测量等领域。

它的主要功能体现在：

实时监控、移动导航、在线检测、大部件的空间尺寸三维测量以及逆向工程等。

即实时监控被测物体在生产、安装和维修过程中的位置和状态；跟踪和导航工作区域内的起重机、机器人或其他移动设备及工具；实时在线检测生产装配线或实验室研究的质量控制。

 iGPS的特点与精度

 –高精度：

最高精度可达0.2mm ；

–灵活性：

可以根据环境灵活布设，包括室外应用，布设时间快；

–高效率：

在布设好的工作区域内，多个测量点可同时工作；

–可靠性：

不容易受到干扰和环境限制，并有系统自我监控功能；

–大尺寸测量：

基本上不会的受到空间的限制而且可以 同时测量，因此特别适合于大尺寸工件的安装。

与激光跟踪仪相比较 

–不会因为掉光而影响工作进程

–满足多用户同时使用

–就可以无限次数的使用

–进行大尺度的测量

–可以对系统自身进行监控

iGPS系统技术指标

 –测量范围2～50m 

–单次测量角精度<20″；

 –覆盖空间：

水平230°，垂直70°；

应用：

航空工业、汽车工业、重工业加工、工业机械人；汽车、造船、航空卫星制造。

（1）大部件尺寸测量：

局域GPs对大型物件提供高精度的测量技术；

（2）在线检测：

实时监测生产装配线或实验室研究的质量控制；

 （3）实时监控：

监督起重机和传输系统的位置；

 （4）校准：

指导机械设备的安装和校准。

关节臂式坐标测量机

量程大、体积小、重量轻

可以方便的在现场进行测量运动灵活、活动部分质量小、价格便宜

与正交式三坐标测量机相比，测量速度快，且无需考虑路径优化问题

应用：

现场测量 、白车身测量  航空航天测量    铸件测量   冲压件测量    管件测量   人机工程学   

模具监测     逆向工程   重大物件测量   夹具监测   检具检测

工业测量的内容、技术、手段、特点

（精度和适用场合） 

多种工业测量的实际作业方法和过程 

测量方法 

——方法能做什么？

 ——采用这种方法的费用是多少？

 ——相对于其它方法可以节约多少成本？

 精度：

合适：

限差的0.1~0.3 

费用