無(wú)棱鏡全站儀在浮空器參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

杜一鳴

摘 要：文章借鑒巨大尺寸零件逆向重構(gòu)技術(shù)的概念，提出了一種應(yīng)用無(wú)棱鏡全站儀進(jìn)行浮空器參數(shù)測(cè)量的方法，并分析了該方法的可行性以及測(cè)量精度。通過(guò)結(jié)合CATIA軟件進(jìn)行三維曲面建模，不僅達(dá)到了進(jìn)行參數(shù)測(cè)量的目的，而且得到了浮空器外形三維模型，提高了浮空器試驗(yàn)試飛階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：全站儀；浮空器；參數(shù)測(cè)量；三維模型

引言

浮空器去年由軟式復(fù)合材料制成，對(duì)其外形尺寸進(jìn)行精確控制的難度較大。對(duì)于同一型號(hào)產(chǎn)品，每個(gè)個(gè)體之間的參數(shù)存在一定的差別。另一方面，浮空器氣囊外形參數(shù)與氣球技術(shù)指標(biāo)直接相關(guān)，試驗(yàn)試飛過(guò)程中數(shù)據(jù)分析也依賴浮空器各種參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。所以，為了得出每個(gè)氣球的準(zhǔn)確外形參數(shù)，同時(shí)也是為了研究氣球加工工藝的特性，需要對(duì)每個(gè)氣球的幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

由于浮空器尺寸一般較大，長(zhǎng)度基本在20m以上，大型浮空器產(chǎn)品長(zhǎng)度可以達(dá)到100m以上。因此，使用傳統(tǒng)的測(cè)量工具對(duì)浮空器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量比較困難、精度較低，而且工作效率低下。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們選用無(wú)棱鏡全站儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量工具，以提高參數(shù)測(cè)量精度、增加可測(cè)量項(xiàng)目并提高測(cè)量工作的效率。

1 無(wú)棱鏡全站儀

1.1 無(wú)棱鏡全站儀測(cè)距的原理

無(wú)棱鏡測(cè)距又叫無(wú)接觸測(cè)距，指的是全站儀發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)自然表面反射后直接測(cè)距。

常見的徠卡TCRA1101測(cè)距的基本原理是在全站儀測(cè)距頭中安裝有兩個(gè)光路同軸的發(fā)射管：一種是IR（Infra Red）測(cè)距方式，可以發(fā)射利用棱鏡和反射片進(jìn)行測(cè)距的紅外光束，波長(zhǎng)為780mm，單棱鏡測(cè)程為3000m；另一種是RL（Red Laser）方式，可以發(fā)射可見的紅色激光束，波長(zhǎng)為670mm，無(wú)反射棱鏡測(cè)程可以達(dá)到250m，這兩種測(cè)量模式可以通過(guò)儀器鍵盤上的操作。兩種方法均為相位法測(cè)距原理，相位法測(cè)距采用很細(xì)的測(cè)量光束就可以完成測(cè)量，很細(xì)的激光束使得相鄰非常近的兩個(gè)點(diǎn)也能被準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)，很容易得到該點(diǎn)的點(diǎn)位三維坐標(biāo)信息。

1.2 無(wú)棱鏡全站儀數(shù)據(jù)采集和傳輸

無(wú)棱鏡全站儀具有自動(dòng)采集并儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)的功能，可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于全站儀的內(nèi)存或者CF卡上。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，可通過(guò)數(shù)據(jù)電纜將外業(yè)所測(cè)的碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)自全站儀傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并以數(shù)據(jù)文件的形式保存。這些功能大大減少了工作人員記錄數(shù)據(jù)的工作量，避免了人為因素造成的數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤。

2 無(wú)棱鏡全站儀參數(shù)測(cè)量方法

2.1 測(cè)量目標(biāo)選取

由于去年外形為旋轉(zhuǎn)體，理論上測(cè)量出氣囊的母線即可得出氣囊外形參數(shù)。不過(guò)，為了提高測(cè)量精度，我們可以選取更多的點(diǎn)，以達(dá)到測(cè)量多條母線的目的，這樣可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證氣囊外形的一致性的程度。并且根據(jù)氣囊不同位置母線的差異，擬合出更準(zhǔn)確的氣囊實(shí)際外形。同時(shí)，為了研究氣囊周向尺寸的一致性，也可以選取幾條氣囊周向曲線進(jìn)行測(cè)量，這樣可以得到更全面的外形參數(shù)數(shù)據(jù)。

由于副氣囊、整流罩和尾翼的外形屬于不太規(guī)則的幾何形狀，因此這樣部件的測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)增加測(cè)量曲線的數(shù)量，提高這些部件外形建模的精度。

特征曲線必須包括氣囊與副氣囊、氣囊與整流罩、氣囊與尾翼的交線，這樣交線用于三維建模過(guò)程中將各個(gè)部件的三維模型整合到一個(gè)模型中。

2.2 特征點(diǎn)標(biāo)記

氣囊是由多片裁片熱合成形，裁片在制作的過(guò)程中可以通過(guò)裁床準(zhǔn)確定位并標(biāo)記特殊點(diǎn)。因此，可以在設(shè)計(jì)階段即確定需要測(cè)量的曲線，然后根據(jù)精度要求和各個(gè)曲線的曲率在這些曲線上選取一定數(shù)目的特征點(diǎn)。氣囊的特征點(diǎn)需要包含頭部堵頭的中心點(diǎn)和尾部堵頭的中心點(diǎn)。定出特征點(diǎn)后，在裁片設(shè)計(jì)圖上標(biāo)記出這些點(diǎn)，這樣就可以通過(guò)裁床使用“十”字標(biāo)記的方式將各個(gè)特征點(diǎn)標(biāo)記出來(lái)，為方便辨認(rèn)，每個(gè)特征點(diǎn)旁邊都需要按一定規(guī)則編上序號(hào)。

2.3 特征點(diǎn)的測(cè)量

（1）待氣囊生產(chǎn)完成后，向氣囊內(nèi)充氣至氣囊內(nèi)外壓差達(dá)到400pa，并在測(cè)量過(guò)程中保持氣囊內(nèi)外壓差在（400pa±50pa）的范圍內(nèi)。

（2）在氣囊內(nèi)最大截面附近墊一塊木板，木板外面必須用帆布包裹以免損傷氣囊。

（3）將無(wú)棱鏡全站儀架設(shè)于氣囊內(nèi)部，調(diào)平。

（4）按照特征點(diǎn)的序號(hào)依次測(cè)量氣囊內(nèi)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)并記錄。

（5）按照步驟（1）到步驟（4）的方法依次測(cè)量副氣囊、整流罩和尾翼內(nèi)的特征點(diǎn)并記錄。

2.4 數(shù)據(jù)處理

氣囊所有特征點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量完成后將坐標(biāo)輸入CATIA軟件建點(diǎn)并擬合氣囊母線和橫截面曲線。根據(jù)多條母線的橫截面的測(cè)量結(jié)果評(píng)估氣囊外形與理論外形的差別，從而統(tǒng)計(jì)出氣囊加工過(guò)程中的變化趨勢(shì)。

將所有部件的三維模型都建立出來(lái)之后，可以通過(guò)相交曲線相合的方式將整個(gè)球體裝配起來(lái)。

2.5 精度分析

以常見的徠卡TCRA1101無(wú)棱鏡全站儀為例，其距離80m以內(nèi)的三維坐標(biāo)測(cè)量精度由于3mm。以氣囊體積計(jì)算為例，實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)與測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)之間的距離為：

△H=■

根據(jù)誤差傳播定律，△H約為5.7mm。設(shè)浮空器氣囊表面面積為S，可知，氣囊實(shí)際體積和根據(jù)測(cè)量結(jié)果建模后得出的體積之間的誤差△V<△H ×S。根據(jù)以往型號(hào)參數(shù)計(jì)算可知△V/V<0.32%，完全滿足設(shè)計(jì)精度需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)棱鏡全站儀的應(yīng)用，提高了浮空器參數(shù)測(cè)量的精度并增加了參數(shù)測(cè)量的項(xiàng)目，由此可以分析出球體加工工藝一致性的程度。另外，通過(guò)結(jié)合CATIA軟件進(jìn)行三維曲面建模，得到了浮空器實(shí)際三維模型，提高了氣球試驗(yàn)試飛過(guò)程中數(shù)據(jù)分析的可靠性。

無(wú)棱鏡全站儀的應(yīng)用提高了浮空器參數(shù)測(cè)量的自動(dòng)化程度，減少了人為因素造成的數(shù)據(jù)丟失和記錄錯(cuò)誤，提高了工作質(zhì)量。

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