大尺度空間測量技術在起重機械檢驗中的應用

陳中劍 王葵

摘 要：起重機械的尺寸測量存在著諸多問題。本文對經緯儀測量技術、全站儀測量技術、近景數字攝影視覺測量技術、室內GPS測量技術以及激光跟蹤測量技術等5種工業應用比較成熟的大尺度測量技術進行分析研究。結果表明，經緯儀測量技術應用最廣泛，但是存在諸多缺點；全站儀測量技術得到了一些應用，但價格比較高，應用不是很普遍。近景數字攝影視覺測量技術得到了研究機構的研究，但還沒有應用到實際檢驗中；室內GPS測量技術和激光跟蹤測量技術有比較好的應用前景，但還沒有得到起重機械領域的技術人員關注。

關鍵詞：起重機械；經緯儀測量技術；全站儀測量技術；近景數字攝影視覺測量技術；室內GPS測量技術；激光跟蹤測量技術

中圖分類號：P22 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，制造業總量不斷增大，進出口貿易持續增長，作為制造業生產和進出口貿易物流運輸非常重要的工具，我國起重機械的數量不斷增長。根據我國特種設備相關法規、規范以及標準的要求，起重機械在投入使用前需要進行安裝監督檢驗或者首次檢驗，使用過程中還需要按照規定的檢驗周期進行定期檢驗。

根據目前起重機械相關的檢規或者標準，起重機械的多個檢驗項目需要進行尺寸的測量，包括起重機械主梁的上拱度、下撓度以及靜剛度、懸臂的上翹度、軌道的直線度和高度差、車輪的跨度等多個項目。根據目前的檢規和標準，完成這些項目的檢測需要多種不同的檢驗儀器。檢驗人員去檢驗時需要攜帶的儀器比較多，儀器操作復雜，效率低，精確度得不到保證。

起重機械的尺寸測量存在著諸多問題，本文對多種大尺度空間測量技術進行研究，分析這些測量技術的優缺點，討論它們在起重機械檢驗中的應用前景，為起重機械尺寸測量提供參考。

1 大尺度空間測量技術的分析和研究

1.1 經緯儀測量技術

經緯儀測量技術是在大尺度空間測量領域常用的一種測量技術，可以測量水平角和豎直角。在起重機械檢驗中，經緯儀測量技術常用在主梁的上拱度、下撓度以及靜剛度和懸臂的上翹度等項目的測量。經緯儀進行相關檢驗項目的測量需要塔尺、鋼直尺等工具的輔助。測量前需要手動照準目標。測量過程中需要人眼讀取測量數值。測量結束后，測量人員通過數據計算得到測量結果。整個測量過程復雜、速度慢、效率低，不利于大批量、大空間內連續測量。測量精度低，不利于在精度要求高的起重機械檢驗項目中應用。

1.2 全站儀測量技術

全站儀測量技術是一種集光、機、電為一體的高技術測量技術，可以完成水平角、垂直角、距離（斜距、平距）和高差等多個參數的測量。全站儀測量技術基于極坐標法原理，設站方便靈活，操作簡單，自動記錄和顯示測量結果，避免讀數誤差。測量范圍大，測量精度較高，在100m的測量范圍內可以達到±0.5mm左右。在起重機械檢驗中，全站儀可以完成主梁上拱度和靜剛度、跨度測量、主梁腹板的局部平面度以及軌距測量等多個參數的測量。在現場檢驗中，比較常用的是馬達驅動式全站儀，其具有目標自動識別功能，自動化和智能化性能程度都非常高。其在測量中可以配合反射棱鏡或者塔尺，也可以直接測量。測量過程中自動記錄和顯示測量結果。測試結束后，檢驗人員可以通過簡單計算得到測試結果。整個過程簡單、速度快、效率高，可以同時完成多個項目的檢驗，適合大批量、大空間內連續測量。測量精度高，可以應用到中等精度要求的檢驗項目上。

1.3 近景數字攝影視覺測量技術

近景數字攝影視覺測量技術是一種新型的工業現場三維精密測量技術，通過高性能數字成像傳感器建立數字圖像，采用圖像處理及模式識別技術自動識別目標物體，實現物體尺寸的測量。該技術測量精度高，在一定測量范圍內的精度可以達到經緯儀系統和激光跟蹤系統的測量精度。測量過程中，測量人員只需要完成圖像的采集工作，圖像的后續處理全部由電腦完成，測量過程自動化、效率高。在我國，近景數字攝影視覺測量技術在大尺寸物體測量方面精度比較低，現在主要用在測量距離比較近，測量物體比較小的情況下。而起重機械尺寸比較大，測量距離比較遠，暫時很少用到近景數字攝影視覺測量技術，但是某些高校采用該項技術對起重機械相關參數進行了測量研究。隨著它的技術不斷改進和發展，將在起重機械檢驗中發揮重要的作用。

1.4 室內GPS測量技術

室內GPS測量技術是一種突破傳統測量技術的大尺度空間測量技術。類似于我們生活中常用到的GPS，室內GPS測量技術由多臺紅外脈沖激光發射器和接收器組成。發射器安裝在固定的位置，向接收器發射兩個呈扇形的激光面，并且進行360°的旋轉。接收器接收發射器的信號，并且將信號發送到控制器。控制器進行計算，得到接收器的三維坐標位置。室內GPS測量技術測量可以實現360°的測量，測量范圍達到2m～300m。一個測量系統下可以進行多用戶測量，操作方便，測量效率高。室內GPS測量技術現在主要應用在飛機、汽車等行業的制造過程中，在起重機械行業暫時沒有相關的研究。

1.5 激光跟蹤測量技術

激光跟蹤測量技術是一種高精度大尺度測量技術，其綜合了激光干涉測距原理和精密測角原理。激光跟蹤測量儀在測量前建立一個空間三維坐標，然后將反射靶球放置在測量位置。激光跟蹤儀跟隨反射靶球的位置轉動，實現對反射靶球的實時跟蹤，并且得到測量位置上反射靶球的空間三維坐標。激光跟蹤測量技術的研究日趨成熟，現在已有多款成熟的產品，如Leica AT401、API Radian等多款已經得到工業應用的成熟產品。激光跟蹤測量技術測量范圍可以達到上百米甚至幾百米，在全量程范圍內的精度還能夠到10μm～20μm，分辨率達到亞微米級。激光跟蹤儀體積小、質量輕，攜帶方便，非常適合需要經常搬運的場合。雖然激光跟蹤測量系統具有以上的優點，但是其價格非常高，其現在主要應用在飛機和汽車等高端工業。起重機械的制造、安裝、檢測等要求的精度不高，因此該項技術暫時沒有在起重機械行業中應用。

結語

本文對幾種在工業中應用比較成熟的大尺度空間測量技術進行分析研究。結果表明，經緯儀是起重機械大尺寸測量最常用的儀器，但其攜帶不方便、測量效率低、精度不高。全站儀已經得到了一些檢驗機構的應用，但由于價格比較高，現在使用還不是很普遍。近景數字攝影視覺測量技術已經得到一些科研機構的研究，但是還沒有實際應用到起重機械檢驗中來。室內GPS測量技術和激光跟蹤測量技術有比較好的應用前景，但需要起重機械的相關技術人員進一步研究，將其應用到起重機械檢驗中來。

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