冀治任011046工业测量精密观测技术研究Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:22331980
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:36
- 大小:272.57KB
冀治任011046工业测量精密观测技术研究Word文档下载推荐.docx
《冀治任011046工业测量精密观测技术研究Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冀治任011046工业测量精密观测技术研究Word文档下载推荐.docx(36页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
ABSTRACTIV
1研究背景1
1.1工业测量的定义及应用领域2
1.2工业测量的方法及选用原则3
1.3现代工业测量的特点及典型应用5
2现代工业测量的常用方法6
2.1工业三坐标测量机系统6
2.2工业全站仪极坐标测量系统7
2.3工业近景摄影测量系统9
2.4工业测量激光扫描测量系统10
3工业测量系统常用控制网12
3.1精密微型安装测量控制网12
3.2大型设备的精密放样和检测控制网14
4工业测量影响观测精度的因素18
5大型天线安装和检测案例介绍22
5.1精度要求22
5.2地脚螺栓检测23
5.3天线面板安装测量24
6结论27
谢辞28
参考文献29
摘要
当前社会的高速发展使工业测量在工业生产中的应用越来越广泛,大到高速粒子加速器磁铁安装准直、大型水轮发电机组安装调试、民用客机整体安装、飞船对接,小到一般工业部件的组装等,涉及的服务领域非常多,部门广,精度要求也不相同,对工程测量的服务提出了很高的要求。
本文通过当前社会的科技更新对工业测量系统的发展状况进行了阐述,通过对传统的工业测量方法和现代工业测量方法的对比介绍,对当前常用的工业测量系统进行了分析研究,分析了各个测量系统的各自的优势和典型的应用领域。
对三坐标机、全站仪、数字摄影机和激光扫描仪自身的原理及其在工业测量中的应用进行了详细的介绍。
对现阶段工业测量的常用的控制网进行了研究和分析,综合阐述了工业测量领域控制网建立的复杂性和高精度性。
分析整理出影响工业测量精密观测精度的多方面的因素,分析了其中的原因并提出了一些解决的办法及措施。
通过对国家天文台50m天线的安装与检测的研究分析,阐述了全站仪测量系统在天线安装与检测领域中的应用,说明了精密观测技术在天线安装和检测中的地位。
关键词:
测量系统;
控制网;
误差;
全站仪;
精密
Industrialmeasurementprecisionobservationtechnologyresearch
ABSTRACT
Therapiddevelopmentofsocietytoindustrialapplicationinindustrialproduction,moreandmorewidely,high-speedparticleacceleratormagnetinstallationalignment,largehydro-generatinginstallation,civilairlinerwholeinstallation,spacecraftdocking,smalltogeneralindustrialcomponentsassemblies,involvingtheservicearea,isverymuch,thedepartmentisnotidenticalalsoaccuracyrequirementofengineeringsurveying,putforwardtheserviceofhighrequirements.
Basedonthecurrentsocialscienceandtechnologyindustrialupdatingofthemeasurementsystemareexpounded,thedevelopmentstatusofthetraditionalindustrybymeasuringmethodandmodernindustrialmeasurementmethodisintroduced,thecomparisonofcurrentindustrymeasurementsystemareanalyzedandstudied,themeasurementsystemanalysisoftheiradvantagesandtypicalapplications.Forthreecoordinatesmachine,digitalcamerasandelectronictachometer,laserscannersitselfinindustrymeasurementprincipleandapplicationwereintroducedindetail.Onthemeasurementofindustrialcontrolnetworkwasstudiedandthecomprehensiveanalysis,theindustrialfieldsofcomplexityandcontrolprecision.Throughanalysisofindustrialmeasurementprecisionprecisionofinfluenceofvariousfactors,thisarticleanalysesthereasonsandputsforwardsomesolutionsandmeasures.Throughtothenationalobservatory50mantennainstallationandtestinganalysis,elaboratedthetraverseinantennameasurementsysteminstallationandtestingfield,illustratestheapplicationofthetechnologyintheprecisionobservationofinstallationandtestingantenna.
Keywords:
measurementsystem;
controlnetwork;
error;
totalstation;
precision
1研究背景
近几十年来,随着社会的快速发展和技术的日益更新,现代工业生产进入了一个崭新的发展阶段。
同时新兴的工业生产的发展使传统的工程测量在内容、精度等方面面临很多亟需解决的问题,对测量手段、测量精度以及数据处理方法等提出了更高的要求。
因此,需要充分利用现有的仪器和设备,运用最简单并且行之有效的工业测量与检测技术,满足不同工业测量和检测的精度要求。
由于工业测量数据处理复杂,实时性要求很高,现场环境不确定性,因此选取合适的工业测量系统,对观测数据进行快速有效地处理、计算和分析,具有十分重要意义。
并且随着建筑业的发展,以高精度、高速度为特征的工业测量系统也在国内外建筑安装行业的测量和检测中占有重要地位。
当前阶段工业测量主要是综合采用各个学科的先进技术、使用已有的先进仪器和集成传感器,满足不同工业、不同产品和不同工序的工业测量需求。
目前国内外已经研制了一些专门的工业测量系统,并且这类系统具有精度高、速度快、简单实用等特点。
例如高速公路路面质量检测系统、隧道纵横断面快速检测系统、船体内结构快速测绘系统、桥梁动态安全监测系统、古建筑内结构的快速采集系统、铁轨磨损检测系统、铁路沿线障碍物的快速检测系统、铁路沿线附属构筑物快速记录系统、风洞试验摄影测量的动态记录系统、水利模拟工程动态记录系统、导弹发射工程监测系统、积木式工业测量系统等。
图1-1当前国内外研究现状图
图1-1反映了当前工业测量的研究现状,及观测技术发展的过程。
如何从传统的静态工件测量逐渐发展到现代工业产品静态和动态测量的观测技术。
本文旨在研究现代工业测量精密观测技术的具体过程,及观测控制网的建立过程,讨论测量过程中影响观测精度的因素,并对具体工程实施方案进行研究分析。
1.1工业测量的定义及应用领域
工业测量是指在制造工业和机器安装工业中,对部件和产品的形体进行精密的三维坐标测量。
主要包括获取三维坐标,进行准直、水准、几何形状拟合、质量保证审核、静态或动态的变形监测等而进行的精密测量。
工业测量所面临的测量对象多变,有的尺寸很小,有的形体较大或结构特别复杂。
不同仪器的精度不一样,适用于不同的测量范围和测量作业,测量工作者应根据测量任务的性质,选择合适的仪器和方法。
工业测量系统是指以电子经纬仪、全站仪、数字相机等为传感器,在计算机的控制下,完成对物体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、分析和管理的系统。
工业测量系统是测绘工程的一个重要应用领域,受到越来越多的专家的关注,它采用高精度测量与数据处理技术相结合的方法对静态或动态的目标进行快速高效实时的测量,能够精密的测定物体的外形、尺寸、距离、空间位置以及物体的运动状态。
八十年代以后,工业测量领域逐步出现了以利用测量技术和方法以及计算机控制和分析的工业测量系统,主要是用于进行精密定位的三维坐标测算系统。
根据所采用的仪器设备,可分为电子经纬仪工业测量系统、全站仪极坐标测量系统、近景摄影测量系统和激光跟踪测量系统等。
目前,现有的数种工业测量系统产品,主要应用于飞机、汽车、造船业以及测量精度要求很高的大型制作、安装和加工行业,也常用于工业设备及大型构件的变形观测,并且在建筑、天线安装与检校、钢结构、涡轮机、发电机和装配架等领域中应用广泛。
具体来讲,在制造工业方面,应用于飞机、轿车、轮船在设计、仿制、改型过程中工业目标及其部件的外形测量;
在精密安装方面,应用于工业部件放样、大型天线安装、孔群定位;
在精密监测和检测方面,应用于桥梁模型试验变位测量、冷却塔的变形监、水库闸门检测;
在动态目标测量方面,应用于轿车的破坏性试验、舰船模型运动轨迹测量、风洞试验目标姿态测量、炮弹出膛速度测量。
1.2工业测量的方法及选用原则
传统的工业测量方法,一般采用三维坐标测量机、距离及角度传感器、激光反射器、测量显微镜和断面投影仪等仪器来测量。
传统的天线测量方法主要有机械测量法、光学测量法和电学测量法等。
机械测量法是用机械的方法对天线进行检测,主要由样板法(旋转样板法和固定样板法)和数控机床法两种,至今还为天线安装测量所应用;
光学测量法主要有双五棱镜法、经纬仪钢带尺法和五棱镜带尺法等;
其他测量方法还有钢丝测距法、激光测距法和微波测距法。
随着现代工业的迅速发展,工业目标的尺寸越来越大,结构越来越复杂、测量精度要求越来越高,对工业测量手段要求越来越高。
主要是电子经纬仪、全站仪、数字摄影机、激光扫描仪的发展和应用,改变了传统的工业三维坐标测量方法,出现了以空间前方交会原理为基础,以电子经纬仪、全站仪、数字摄影机,激光扫描仪为传感器的三维坐标工业测量系统。
目前较为成熟及常用的测量系统有工业三坐标测量机系统、工业全站仪极坐标测量系统、工业近景摄影测量系统和工业测量激光扫描系统等。
这些测量系统的出现使工业测量的技术手段和服务对象发生巨大的变化,促使观测过程趋向自动化、智能化、动态化、一体化及实时化,使观测成果呈数字化、多样化,使得应用领域日趋广泛化,使工业测量具有广阔的发展与应用前景。
并且现代工业复杂的结构与愈来愈高的自动化程度,向人们提出了无接触、实时和高精度的测量要求,实现内外业一体化和实时化,自动和快速获取与处理各种信息是当前的发展需求。
目前以电子经纬仪或自动全站仪等多个传感器集成和综合应用的三维工业自动测量系统,已广泛应用于汽车、飞机、发电站、核反应堆等工程组装与建设中,应用于复杂的结构的安装与检测,应用于天线、钻井工程、发射架及冷凝塔等高耸构筑物的监测与校准,应用于大型高精度钢结构安装与位移的形变监测及工业与传输设备的定位等领域。
当前看来,一方面是工业目标具有不同尺寸、不同精度要求、不同观测频率要求、不同的目标物表面质地、不同的目标物所处环境以及目标物不同的运动状态;
另一方面又存在可以选择的工业测量方法和手段众多。
因此,针对一特定目标,选择最佳的工业测量方法颇为复杂和重要,也是测量工作者的主要职责。
选用工业测量方法的基本原则主要是根据工业目标、目标尺寸、目标的测量精度要求、目标物的表面质地及形状、目标的测量频率的要求、目标所处环境和目标自身状态等进行方法选取。
(1)工业目标
工业测量的目的是解决设计、仿制、检测、放样、质量控制和动态监测中与目标的形状尺寸及运动状态等问题。
工业测量目标繁多,主要包括船体外形测量,涉及船体的设计、改造与仿制工作,还有油船舱体容积的测定,船模在试验池内的性能检测,大型船舰推进器叶片的外形测定,舰船主设备的安装;
封闭构筑物测量,即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、海底或水下隧道、矿山大型巷道和采空区、地下防空工程、水电站的排水泄水洞、坝内结构、大型管道等;
风洞试验室动力学参数测定等。
(2)目标尺寸
工业测量中目标的尺寸差别很大,目标尺寸的不同直接关系到测量方法的选择。
这里暂且粗略地把工业目标的尺寸分作小于1mm,1mm-50mm,50mm-1m,1m-10m,以及大于10m共5个等级。
这种分类方法与电子显微测量、光学显微测量、常规工业测量、工业摄影测量及其他手段的选择有某种模糊关系。
(3)目标的测量精度要求
不同的精度要求与测量方法的选择有关,也与该测量方法对应的设备、技术要求有关。
这里暂且把精度要求分作nm级、μm级、亚亚mm级、亚mm级、mm级5个级别。
这5个级别涵盖了绝大多数工业目标的精度要求。
(4)目标物的表面质地及形状
不少目标物的表面缺乏特征点,色调一致,并且有的具有金属的光泽表现或玻璃的透明及复杂表面结构时所产生的观测死角等,直接影响测量方法的选择和测量难度。
(5)目标的测量频率的要求
数天、数小时、数分钟、数秒内以至实时(1/30秒-1/25秒内)地提供测量成果,不同目标要求不同的测量频率。
测量频率与测量方法的选择有极其密切的关系。
(6)目标所处环境
目标物所处环境的优劣直接影响测量方法的选择。
这些环境条件包括测量设备与目标物间的距离、测量死角、目标物的可见度、环境照明、是否有震动和噪音以及目标物是否处在高温、高压或有毒的环境等。
(7)目标自身状态
目标物处于静止或运动状态,与测量方法的选择密切相关。
处在一维、二维或三维运动状态的目标物,测量方法也不同。
并且动态目标测量涉及测量工具的同步技术与计时技术。
1.3现代工业测量的特点及典型应用
随着设备和技术的发展现代工业测量已经实现快速化、自动化、实时化、简单化等的特点。
并且能够满足越来越高的精度要求、越来越复杂的测量环境和越来越繁琐的测量方式。
目前常用的两个测量系统是三维工业测量系统和工业近景摄影测量系统。
其典型应用领域有:
航空航天、汽车、造船、钢铁、大型设备加工和维护;
在建筑、天线安装与检校、钢结构、发电机和天线安装等领域中应用广泛。
三维工业测量系统,设备组成灵活,测量精度高,所需检校时间大大缩短并且通过交会的方式解算提供高精度点位坐标。
三维工业测量系统适用于目标庞大、结构复杂但是待测点稀疏并且精度要求较高的测量需求。
其适用于对点状、较为简单的线状或面状目标进行观测。
运用相关工业测量系统软件可在现场快速的实现以被测物体为参照系进行坐标转换及任意坐标系间的转换。
能够对直线、平面、圆、球面及抛物面等几何元素进行专门的计算和处理。
工业近景摄影测量系统是一种实时的获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段,以作为信息载体的相片或影像含有被测目标最大的信息,特别适宜于测量点众多的目标物。
它是一种非接触型测量手段,不接触测量目标从而干扰不到被测物体自然状态,并且可以在恶劣条件下躲避危险环境而远离摄影对象作业。
它还是一种适用于动态物体外形和运动状态测定的手段。
目前该系统可提供相当高的精度与可靠性的测量手段,可以达到千分之一至十万分之一的相对精度。
三维工业测量系统和工业近景摄影测量系统在对实际工业目标进行观测时,均受自身缺点所影响,存在着一定的局限性。
同时各个系统优势又可以在一定程度上互补,三维工业测量系统可以为工业摄影测量建立高精度的检校场或在实际应用中为其提供高精度的控制网和像控点,并且可以运用三维工业测量系统软件的数据处理功能,进行坐标系转换,几何元素计算等工作。
而工业近景摄影测量可以很好地解决三维工业测量系统无法在短时间内对观测目标进行实时的观测,并且无法对动态目标进行瞬时和实时观测,以及在复杂观测环境下,需要其他目标指示方式观测,造成间接测量所带来的目标指示误差。
并且工业摄影测量可以解决三维工业测量系统无法对运动目标进行直接观测,以及无法在短时间内对较多观测目标进行观测,所造成得获得目标物信息量偏少,不能够准确反映目标物几何信息的缺点。
因此将两者结合使用,可以从很大程度上解决各自自身存在的不足,不失为一种为工业测量提供高精度、高效、安全、快捷的测量方法。
2现代工业测量的常用方法
随着技术的发展和科技的进步,越来越多的新兴技术和高端的设备运用到现代工业测量的领域中。
目前现代工业测量常用测量系统的方法包括工业三坐标测量机系统、工业全站仪极坐标测量系统、工业近景摄影测量系统和工业测量激光扫描测量系统等。
其中后三者是近几年发展起来的新兴的测量系统,并且三坐标机测量机中的各部分构件也随着技术的发展有了更加先进的设备替代。
2.1工业三坐标测量机系统
三坐标测量机是工业部门应用较多的坐标测量仪器,是工业测量中小型工业设备的安装检测的重要的测量系统。
三坐标测量机的测量原理为:
将被测物置于三坐标测量机的测量空间,可获得被测物上各点的坐标位置,根据这些点的空间坐标值,经过数学运算,求出被测物的几何尺寸、形状和位置。
由于它有三根互相垂直的轴(导轨)和一个工作平台,并以此为基础来确定被测工作特征点的坐标及相互关系,因此也称为“正交坐标系”测量机或“工业坐标系”测量系统。
三坐标测量机一般分为主机、测头和电气系统三部分。
主机是由框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件、转台与附件组成。
测头是一种传感器,其基本功能是测微和瞄准,按测量方法可分为接触式和非接触式,按结构原理课分为机械式、光学式和电气式等。
电气系统是由电气控制系统、计算机硬件部分、测量机软件和打印绘图装置等组成,起到控制测量机采集数据、测量数据的处理及输出作用。
自1959年英国制造出第一台测量机以来,国内外三坐标测量机发展迅速,测量机的使用已相当普遍。
世界上生产测量机的厂商已超过50家,品种规格也已达300种以上。
国外生产三坐标测量机的主要厂家有:
德国的蔡司(Zeiss)、莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国的布朗-夏普(Brown-Sharpe)、日本的三丰(Mitutoyo)等公司。
国内的生产单位也已经有了很大的发展,主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。
现在,我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。
三坐标测量机在近三十年里逐渐发展为一种高效率和高精度的新型精密测量仪器,并且已经广泛的应用在机械制造、电子、汽车和航空航天等领域中。
三坐标测量机的出现具有标志性的意义,它标志着工业测量仪器由手动测量阶段过渡到自动测量阶段。
三坐标测量机提高了三维坐标测量的精度,目前高精度的坐标测量机的单轴精度,每米长度内可达1μm以内,三维空间精度可达1μm-2μm。
对于车间检测用的三坐标测量机,每米测量精度单轴也可达3μm-4μm。
并且对于外表结构复杂的工业构件,三坐标测量机也能够准确测量目标物的外表轮廓。
三坐标测量机可以运用专门的计算机程序控制,促进了工业构件自动化生产线的发展。
随着三坐标测量机的精度以及自动化程度不断提高,也大大地提高了测量得效率。
三坐标测量机需要直线导轨作为测量的基准,而直线导轨特别是长导轨,制作复杂、造价昂贵,测量范围受到导轨长度的限制,另外三坐标测量机采取的是接触式测量方式,工业目标比较小,并且只能在室内进行测量。
随着现代工业的快速发展,工业构件尺寸越来越大,结构越来越复杂,自动化的程度越来越高,对三坐标测量机的要求也越来越高。
因此未来的三坐标测量机将朝着高精度和快速化的方向发展,采用的技术和设备越来越先进。
2.2工业全站仪极坐标测量系统
随着全站仪测量精度和自动化程度的提高,全站仪极坐标测量系统在工业测量中得到了应用和推广。
全站仪极坐标测量系统是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器的三维坐标测量系统,该测量系统观测影响精度的关键因素是测量仪器和测距精度。
全站仪极坐标测量系统的测量原理是测量一个斜距和两个角度就可以得到被测点的三维坐标。
一般的将坐标系定义为:
如图2-1所示,以全站仪的三轴中心为原点,水平面为XOY平面,其中水平度盘零方向为Y轴,铅垂线反方向为Z轴。
通过测量水平角α、垂直角β和斜距S来计算出待测点P的坐标,其计算公式为:
(2-1)
极坐标测量点位误差估算公式为:
(2-2)
图2-1极坐标测量原理
全站仪测量系统软件一般分为数据管理/处理模块以及全站仪控制/测量模块两部分。
数据管理/处理模块是通用的数据分析和处理软件,包括常用的点、线、面拟合计算和形位误差计算、坐标转换等功能;
全站仪控制/测量模块一般要针对不同的全站仪设计,主要包括仪器的初始化参数设置、现场检校、联机数据采集和测量数据修正等功能。
国外商业化的软件有Leica公司的AxyzCDM/STM及SOKKIA公司的MONMOS软件,国内有解放军信息工程大学测绘学院的MetroInD/S软件。
全站仪极坐标测量系统正朝自动化和智能化方向发展,最新的APX.Win系统采用马达驱动的电子经纬仪或全站仪,能够自动搜索、照准目标。
例如如Leica公司的TCAl800机器人有以下特点:
(1)配备了高精度的测角和测距装置。
如TCA2003机器人将高精度的测距仪、绝对编码度盘的电子经纬仪和高性能的计算机系统融为一体,可获取高精度的角度、距离和坐标信息。
(2)安置了精密伺服马达。
仪器根据指令,启动马达,转动仪器,自动照准目标。
(3)用ATR(AutomaticTargetRecognition)自动瞄准目标。
用CCD器件装备的自动目标识别机构,可在整个视场范围内快速搜寻目标,精确照准,自动观测。
(4)用LOCK自动跟踪目标。
目标一旦被识别,就可启用LOCK自动跟踪模式,自动跟踪动态目标。
(5)支持用户编程编码。
徕卡提供强有力的编程编码工具,用户可以在仿真的环境下利用PC机进行程序和编码的开发。
徕卡推出的PCMSplus,其全站仪采用TC2002,测角精度为0.5″,测距标称精度为1mm+1ppm。
TC2002在近距测量时,无需棱镜,只要采用反射片即可。
相继又推出的型号为Axyz—STM的系统是采用TDM5000、TDM5005系列的马达全站仪,测角精度为0.5″,测距标称精度当使用球棱镜时在120m内优于0.3mm。
极坐标法测量系统使得仪器设站非常方便和灵活,测程较远,在100米的范围内其精度可达0.5mm左右,因此特别适用于钢结构测量和造船工业等中等精度的要求。
2.3工业近景摄影测量系统
摄影测量系统在工业测量中的应用一般称为近景摄影测量、非地形摄影测量等。
近景摄影测量是通过拍摄影像和随后的图像处理和摄影测量处理以获得被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。
该
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 冀治任 011046 工业 测量 精密 观测 技术研究