三坐標測量技術在鋁合金車體測量中的應用

田亞鵬 董新華 漆宸瑄

摘要

近年來在中國鐵路運輸業，動車組技術得到迅速推廣和普及。動車組車體是由鋁合金型材焊接而成，本文總結鋁合金焊接技術、鋁合金車體技術中面臨的問題，并提出三坐標測量技術在檢測鋁合金車體外形、定位尺寸檢測方面的應用原理、應用方法。

關鍵詞：鋁合金車體；三坐標測量技術

1.鋁合金車體技術

鋁合金車體技術是動車組核心技術之一。鋁合金材料具有密度低、強度高、塑性好、抗腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、機械制造等領域中大量應用。隨著科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前，世界先進國家的動車組，除法國的TGV電動車組車體為不銹鋼外，其余高速車均為鋁合金車體。

鋁合金車體技術具有重量輕、強度高、加工型和可焊性強的特點。近年來，我國引進的CRH2、CRH3、CRH5動車組及國產化動車組均采用鋁合金車體。隨著我國高速動車組技術的不斷發展及成熟，地鐵及城軌車輛大規模建設應用。

鋁合金車體焊接通常分為車體大部件自動焊和總成自動焊，大部件自動焊接一般指車頂、地板、底架、側墻自動焊；總成自動焊接一般指側墻和車頂、側墻和底架連接焊縫自動焊。小部件焊接中，車鉤面板等關鍵部件也經常使用機械手進行焊接。

鋁合金焊接過程中，技術性影響因素眾多，為對最終焊接尺寸質量進行檢驗和控制，在鋁合金車體焊接調修后檢測階段引進三坐標測量技術。

2.三坐標測量技術原理

三坐標測量技術有“測量中心”之稱，分為正交系坐標測量系統與非正交系坐標測量系統。正交系坐標測量機從機座經X、Y、Z軸到測頭，采用了串聯式多層結構，測頭向空間任一點的移動是通過三根互相垂直的導軌平動實現的。受此約束，測頭的空間位置不靈活，限制了對空間任意曲面的測量柔性。上述結構缺陷制約了正交坐標測量機的進一步發展，限制了其在特殊、復雜零件測量中的應用。為了根本解決正交系坐標測量技術存在的不足，各種非正交系坐標測量系統應運而生并迅速發展起來。

與正交系坐標測量機相比，非正交系坐標測量機可以做得比較靈活，繞一個支點回轉，往往比讓一個部件沿直線導軌運動容易做得輕巧、靈活，更容易深入到直角坐標系不易深入的部位中去，容易在較短時間內采集到更多的數據，容易更方便地實現手動掃描測量。此外，非正交系坐標測量機的測量空間開闊。這些都是非正交系坐標測量機近年來獲得迅速發展的原因。

全站儀即全站型電子速測儀，是由電子測角、電子測距、電子計算和數據存儲單元等組成的非正交系三維坐標測量系統，測量結果能自動顯示，并能與外轉設備交換住處的多功能測量儀器。它是測繪行業應用最廣和最通用的一種“非正交系三坐標測量機”。在中國北車CRH3型動車組鋁合金車體測量過程中得到了廣泛的應用。

全站儀通過以機頭為原點，建立相應的球坐標系，如圖所示：

設點P（x，y，z）為空間內一點，則點P也可以用這樣三個有次序的數r， φ，θ來確定，其中：

r為原點O與點P間的距離，即斜距；

φ為從正Z軸方向看自X軸按照逆時針方向轉到有向線段的角，這里的M點為點P在XOY平面上的投影。即水平角；

θ為有向線段與Z軸正向所夾的角，即垂直角。

這里r， φ，θ的變化范圍為：

r∈ [0， +∞）

φ∈[0，2π]

θ∈[0， π]

與直角坐標系轉換公式為：

全站儀通過激光測距方法測量斜距，利用光柵角度傳感器測量水平角及垂直角，通過球坐標系和直角坐標系的轉化關系，計算出測量點的空間位置。

3.三坐標測量技術在鋁合金車體測量中的應用

3.1.應用過程

三坐標測量技術在鋁合金車體測量過程中應用主要為將各個關鍵尺寸拆解為同一坐標系下測量點間關系，通過測量出各個測量點坐標進行坐標配準換算后按照幾何特征對關鍵尺寸進行計算。具體過程如下：

3.1.1.物體數據化

利用電子儀器，即全站儀采集車體需測量尺寸的空間坐標值。通過分析鋁合金車體技術文件及車體結構，確定需要測量的關鍵尺寸，明確測量點位置并對測量點進行測量，通過空間定點將全站儀建立的球坐標系轉化為一直角坐標系，將車體各個測量點坐標建立在此坐標系中，必要時進行轉站測量，進而確定各個測量點的坐標值。

3.1.2.從采集的數據中完成三維測量數據的配準

首先通過最小二乘法實現標稱值匹配下的仿射變換，獲得初始配準目標數據。進一步采用最優擬合變換實現原有數據到初始配準目標數據的剛性變換。最終通過基于坐標變換的參照測量點，通過相似變換對剛性變換下三維數據進行微小精度調整，通過7參數坐標變換法最終完成鋁合金車體尺寸三維測量數據的配準。

3.1.3.檢驗、分析三維尺寸

利用數據庫對配準數據，按照測量尺寸與測量點間對應關系，進行計算分析，確定各個關鍵尺寸的測量值，確認各尺寸是否存在質量問題。

3.2.影響因素及解決方法

環境因素：其中由于利用非接觸測頭，采用激光測距方法，因此外界環境對測量精度影響最大。外界環境包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動、外界振動、儀器支架和被測物的穩定性等。不同環境下得到的測量結果可能大相徑庭，在高精度測量中必須保證外部環境參數的平穩性。車體經過焊接后都存在著應力，并且需要保證車體四角重量載荷均衡分配。因此測量底架時需要保證底架處于自然狀態，支撐面為平面。完成的車體及整備的車體則需要EKM稱重設備進行四角重量載荷調整。測量部件時環境平穩，不允許在部件上施工。

操作者因素：由于儀器的高度自動化，對操作者經驗、技巧的要求大為降低，但也需要正確操作。比如測量錯誤的測量點，把握反射片時手抖動或測量位置偏斜，測量過程中碰撞儀器支架

三坐標測量技術在檢測鋁合金車體外形、定位尺寸方面精度高、操作簡便，具有無可比擬的優勢。作者簡介：田亞鵬（1985-），河北省唐山市人，職務：質量工程師。