工业测量系统的最新进展

7.1.2　工业测量系统的最新进展

20世纪80年代以来，现代工业生产进入了一个新的阶段，许多新的设计、工艺要求对生产的自动化流程、生产过程控制、产品质量检验与监测等工作进行快速、高精度的测点、定位，并给出工件或复杂形体的三维数学模型，这是传统的光学、机械等工业测量方法所无法完成的。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，完成工件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。与传统的工业测量方法相比较，工业测量系统在实时性、非接触性、机动性和与CAD/CAM联结等方面有突出的优点，因此在工业界得到了广泛的应用。

(1)经纬仪测量系统。经纬仪测量系统(MTS)是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统，如Leica在1995年前推出的ManCAT系统和ECDS3系统，最多可接8台电子经纬仪，现在波音和麦道飞机制造公司及其合作伙伴(如中国沈飞、上飞、西飞等)还在使用ManCAT系统。经纬仪测量系统的硬件设备主要由高精度的电子经纬仪T2000/T3000与TPS5000系列(也可联结Kern的E2/E20电子经纬仪)、基准尺、接口和联机电缆及微机等组成。采用手动照准目标、经纬仪自动读数、逐点观测的方法。MTS在几米到十几米的测量范围内的精度可达到0.02～0.05mm。

(2)全站仪极坐标测量系统。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三维坐标测量系统(STS)，例如Leica 1995年前所推出的商业化系统为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在近距离测距时，无需棱镜作为测距目标，只需采用特制的不干胶(或磁性)反射片贴到被测物的表面上，软件处理时顾及了标志的厚度。

极坐标测量系统的发展方向是自动极坐标测量系统，自动极坐标测量系统(APS)是由一台TM3000D马达驱动电子经纬仪和一台Leica测距仪构成的。APS的照准和观测完全自动化，特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变形监测。最新的APS-Win系统采用TM1800马达经纬仪或TCA1800/TCA2003/TCA5005自动跟踪全站仪。TCA1800全站仪采用了所谓的自动目标识别(ATR)技术，能自动瞄准棱镜进行测量。它的基本原理是ATR与望远镜同轴安装，并向目标发射激光束，返回的激光束被仪器中的CCD相机捕获从而计算出反射光点中心的位置，并化算为水平角和垂直角改正数，最后驱动马达步进到棱镜的中心位置。

由多台TCA1800构成的自动极坐标测量系统已经应用于香港地铁的变形监测中，其中一台仪器可监测200m左右的断面，每个断面上按一定间隔安装专用的微型棱镜，并在固定点上也安装棱镜，多台仪器同时对固定站和变形点进行观测，从而实现了2个地铁车站间隧道的24小时不间断自动化测量。

(3)激光跟踪测量系统。激光跟踪测量系统(LTS)的代表产品为SMART 310。与常规经纬仪测量系统不同的是，SMART 310激光跟踪测量系统可全自动地跟踪反射装置，只要能让反射装置在被测物的表面移动，就可实现该表面的快速数字化。由于干涉测量的速度极快(每秒最多到500次读数)，其坐标重复测量精度高(达到5ppm)，因此它特别适用于动态目标的监测，如机器人的检校等。SMART 310的测量原理同样是极坐标法，测量硬件为一台激光跟踪仪(Laser Tracker)，它的测量头的设计与经纬仪类似，也有横轴和竖轴，并用码盘分别测量水平角和垂直角。斜距通过激光干涉测量法获得，由于干涉测量只能获得相对距离，因此绝对距离需要从某一距离已知的点上起算。

最新的激光跟踪测量系统为Axyz-LTM，它的硬件为LT500/LTD500激光跟踪仪，其测量速度比SMART 310快一倍，而LTD500为带绝对测距仪的激光跟踪仪，在测量信号遮挡后，绝对测距仪能及时测出绝对距离，保证跟踪仪能继续测量，因此工作速度更快，可用于放样和检测。

(4)数字摄影测量系统。美国大地测量服务公司(GSI)生产的V-STARS是数字摄影测量系统的典型产品。它是采用数字近景摄影测量原理，通过2台高分辨率的柯达数字相机对被测物同时拍摄，得到物体的数字影像，经计算机图像处理后得到精确的X、Y、Z坐标。V-STARS系统为了保证最佳的图像量测精度和效果，其被测点的标志比较讲究，采用特制的回光反射标志RRT(retro reflective target)。在拍摄图像时采用多姿态和不同角度以消除镜头的崎变差，数字相片的相对定向和绝对定向采用专用磁性定向标志和标准尺放在物方空间，同时被拍摄到图像中。相对定向由鼠标控制完成，而影像匹配则由计算机自动完成。V-STARS特别适合于动态物体的快速坐标测量，其操作方便，对现场环境无任何要求，尤其在有毒、有害的环境下是其他工业测量系统所无法比拟的。在近距离范围内它的测量精度达到了0.1～0.03mm。

数字摄影测量的最新进展是采用高分辨率的数字相机来提高测量精度，另外，利用条码测量标志可以实现控制点编号的自动识别，采用专用纹理投影设备可以代替物体表面的标志设置，这些最新的技术正在使数字摄影测量朝完全自动化的方向发展。