基于激光跟踪仪和三维扫描仪测量车体的工业测量系统

基于激光跟踪仪和三维扫描仪测量车体的工业测量系统

封凤英文琦张茂高峰

中车大同电力机车有限公司山西大同037038

摘要：本文针对激光跟踪仪在车体测量时存在测量盲区的问题，将激光跟踪仪和三维扫描仪联合起来组成一种新型工业测量体系。以三维扫描仪测量结果为整体，激光跟踪仪测量结果为细部，利用三维扫描仪的全面性和激光跟踪仪测量准确度高的特点，可以有效完成车体的全面测量。

关键词：激光跟踪仪；三维扫描仪；车体测量

引言

随着轨道车辆进入高速时代，车辆制造精度对车辆性能的影响也随之提高，传统的测量方式已经不能适应高速车辆的高精度、复杂尺寸、曲面等测量需求。160km/h动力集中型动车组动力车由中车大同公司引进研制，但是由于公司现有测量设备在测量时存在困难，参考国内外同行业经验，制定符合公司现状的测量方案意义重大。

激光跟踪仪是一种先进的光学三维坐标测量系统，具有快速、动态、高精度的测量特点，已被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、轨道交通等精密工业测量领域。但是激光跟踪仪属于光学仪器，在实际测量时经常会出现测量盲区，并且在测量车体的一些复杂尺寸和曲面时，不能满足测量要求。这要求采用其他仪器与其配合测量。

三维扫描仪可模拟照相机，可以扫描车体的整体状态，建立CAD数据。逆向建立车体表面三维数据，并与设计对接，直接进行分析。由于三维扫描仪的整体扫面特性，可以与激光跟踪仪联合使用，以解决激光跟踪仪在测量车体时，存在测量盲区、测量数据少及复杂尺寸的问题。

1车体的结构特点和测量现状

（1）车体尺寸较大，利用激光跟踪仪检测平面度时，测量点太少，采集数据小，不能实现整体分析。

（2）车辆车体结构复杂，造成部分尺寸直接测量困难。

（3）车体大量采用曲面，利用激光跟踪仪很难找到测量点，导致测量数据精度低甚至错误。

2测量设备

综合现有设备及车体结构特点，选择位置灵活、安装和拆卸方便的API激光跟踪仪和FARO三维扫描仪作为测量设备。

2.1激光跟踪仪测量原理

激光跟踪仪为球坐标测量系统，以其转向中心为坐标原点，建立测量坐标系其测量原理如图2所示。P为被测点，通过激光干涉测距测量极径L，利用两个角度编码器分别测量水平角α和竖直方位角β，即可通过如下公式确定被测点P的空间坐标（x，y，z）。

x=Lsinαsinβ

y=Lcosαsinβ

z=Lcosβ

2.2三维扫描仪测量原理

三维扫描仪原理主要是由光栅投影设备及两个工业级的CCDCamera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCDCamera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。

2.3系统联合

投影光棚以激光跟踪仪的测量软件为基准系统，三维扫描仪测量系统可以直接添加进激光跟踪仪系统测量软件。可以通过3个或以上的公共点将激光跟踪仪和三维扫描仪拟合在统一坐标系之下。选取的公共点应在激光跟踪仪和三维扫描仪的可视范围内，并选取的范围应尽可能将测量尺寸完全覆盖。

2.4测量试验

选择API激光跟踪仪和FARO三维扫描仪配合测量，在适当的位置设置6个公共点，建立公共坐标系。选择有效长度为1000mm的5等量块为测量目标，分别用激光跟踪仪和三维扫描仪连续测量5次，测量数据如下（所有数据单位均为mm）

激光跟踪仪测得值：1、1000.013；2、1000.016；3、1000.014；4、1000.015；5、1000.013；平均值：1000.0142。

三维扫描仪测得值：1、1000.020；2、1000.018；3、1000.019；4、1000.021；5、1000.024；平均值：1000.0204。

可以看出，两测量设备最大相差0.011mm，满足大尺寸测量的要求。仪器单独的测量精度激光跟踪仪0.1mm（10m之内），三维扫描仪1mm（150mm内），满足160km/h动力集中型动车组动力车误差的要求。

3测量方案在实际中应用

3.1车体整体扫描

由于车体测量点较多，位置遍布整个车体，从一个测量站点无法全部覆盖，因此设置两个测量站，测量的数据拟合到同一坐标系中，实现全部点的测量。

利用三维扫描仪扫描结束后，通过逆向工程（RE）和快速成型（RP）功能。可以将扫描数据整理拼接，建立完整CAD数据，创建3D模型。并可以与产品设计对接，分析检测数据与设计要求的差异，完善产品设计。

在完成整车评价之后，可以将整车分割成若干部分，进行各个部分的分析与检测，并有效反馈给车间，以实现后期调修。

3.2细部检测与反馈调整

三维扫描仪可以完成整车的扫描检测，但是由于三维扫描仪是非接触式测量设备，不可避免存在2个方面的问题：一是在小范围内测量精度低，三维扫描仪测量精度为±1mm/m，在车体的一些细

微部分测量精度不能满足要求；二是检测完成后，不能有效反馈到实物之上。

激光跟踪仪采用接触式测量，且测量精度高，10m之内测量精度为±0.1mm/m。由于采用接触式测量，可以直接将测量结果反馈在实物之上，便于后期调整修理。可以通过制作辅助测量工具，放置测量球和粘贴靶标，作为激光跟踪仪的测量基础，建立坐标系，实现细部测量。并可以将需要调修的部分成功反馈到工人手中，完成修理。

3.3测量流程

按照测量方案，制定测量流程如下。

（1）测量前要清理周围环境，保证没有影响测量的障碍物、强光以及强烈震动，影响测量精度。准备220V稳压电源，以避免可能因电压问题而损坏仪器。

（2）联结仪器、电脑，启动电脑、仪器，打开测量软件，添加仪器。

（3）测量坐标参考点，建立坐标系，开始测量。

（4）测量完成，处理数据，与设计数据相对接，分析问题，生成测量报告。不合格的结果以红色显示。

（5）以粘贴靶标为基准，建立坐标系，找到不合格区域。车间工人进行调修。调修完成后，二次测量，测量结果符合要求，测量完成；否则，继续调整，直至满足要求。

4结束语

通过借鉴国内外同行业激光跟踪仪和三维扫描技术的应用过程和分析方法，实现了对车体外形的测量，解决了公司现在对160km/h动力集中型动车组动力车车体测量的困难，为下一步提升制造质量、改进制造工艺提供了有价值的参考。

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