無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)

    無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)也稱為柔性坐標(biāo)測量機(jī)（Flexible Coordinate Measuring Machine），是上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展的一門新興測量技術(shù)。無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)源于大地測量技術(shù)。新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用賦予了傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)許多嶄新的內(nèi)容和應(yīng)用空間，測量功能的不斷完善和測量精度的不斷提高使其可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域，成為大尺寸測量技術(shù)中一個(gè)極為活躍的分支。無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)能夠在測量現(xiàn)場即時(shí)建立坐標(biāo)系并進(jìn)行精密測量，可用于大型工件的尺寸測量、重型機(jī)械的裝配控制、工作部件的大范圍動態(tài)跟蹤測量、大型零部件的面形（飛機(jī)翼面、汽車外形、大口徑光學(xué)透鏡表面等）測量等。無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)可分為三種類型：多站組合式數(shù)字經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)和大視場視覺測量系統(tǒng)。

（1）多站組合式數(shù)字經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)

    上世紀(jì)八十年代，數(shù)字經(jīng)緯儀逐步替代了光學(xué)經(jīng)緯儀，使經(jīng)緯儀的測量精度及自動化程度大大提高，并出現(xiàn)了專門用于工業(yè)測量的多站組合式數(shù)字經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理基于三角測量法，系統(tǒng)由2～8臺數(shù)字經(jīng)緯儀及計(jì)算機(jī)組成，可以在測量現(xiàn)場即時(shí)安裝、定標(biāo)和測量。典型產(chǎn)品如KERN公司的Space測量系統(tǒng)，可用一根校對尺在測量現(xiàn)場定標(biāo)，確定系統(tǒng)常數(shù)和坐標(biāo)原點(diǎn)，用半導(dǎo)體激光投射器進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)定位，采用CCD瞄準(zhǔn)。這種系統(tǒng)可用于航空航天、船舶制造、重型機(jī)械等領(lǐng)域，角度精度達(dá)0.3″，在3米內(nèi)的測量精度為50μm，測量速度可達(dá)500點(diǎn)/小時(shí)。

    采用兩束激光進(jìn)行測量的激光三角測量法是多站式經(jīng)緯儀測量法的一種延伸。該方法以靶鏡為目標(biāo)，兩束激光始終對準(zhǔn)靶鏡，根據(jù)兩束激光的夾角即可計(jì)算出被測距離，系統(tǒng)的重復(fù)性可達(dá)10μm。

（2）激光跟蹤測量系統(tǒng)

    激光跟蹤測量系統(tǒng)實(shí)際上是一臺激光干涉儀，在測量光路中設(shè)置了一套可同時(shí)繞水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡（（或?qū)⒓す忸^整體置于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上），當(dāng)測量靶鏡在空間自由運(yùn)動時(shí)，反射鏡進(jìn)行自動跟蹤，以保證測量光路的連續(xù)性。

    根據(jù)測量方法的不同，激光跟蹤測量系統(tǒng)又可分為多邊測量系統(tǒng)和球坐標(biāo)測量系統(tǒng)。多邊測量法采用四套（或四套以上）激光跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)測量靶鏡移動時(shí)，四束測量激光進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，根據(jù)四個(gè)距離值來確定測量靶鏡的瞬時(shí)位置。值得注意的是，一般來說，在一個(gè)坐標(biāo)系中只需知道某點(diǎn)到三個(gè)固定點(diǎn)的距離，即可計(jì)算出該點(diǎn)的實(shí)際位置，而該方法可提供四個(gè)距離值，使測量信息更為豐富。將“冗余技術(shù)”引入測量中，不僅提高了測量的穩(wěn)定度，而且可以迅速完成自標(biāo)定，確定各套激光跟蹤系統(tǒng)的相對位置。據(jù)報(bào)道，這種測量方法的精度可達(dá)10μm。

    如果在激光跟蹤測量系統(tǒng)反射鏡的水平軸和垂直軸上安裝上碼盤，即可構(gòu)成一套完整的球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，其測量靶鏡的位置由矢徑及方向角確定。球坐標(biāo)測量系統(tǒng)的測量范圍可達(dá)30米以上，測量精度達(dá)10ppm。典型的定型產(chǎn)品有Leica公司的Smart系統(tǒng)、API公司的激光跟蹤干涉儀、FARO公司的絕對測量跟蹤儀等。

（3）大視場視覺測量系統(tǒng)

    大視場視覺測量系統(tǒng)采用攝像測量法，為了提高測量精度，往往與光學(xué)測頭同時(shí)使用。光學(xué)測頭是由多個(gè)大功率發(fā)光管排列組成的光靶，測量時(shí)，光學(xué)測頭與被測工件接觸，視覺測量系統(tǒng)實(shí)際瞄準(zhǔn)的是光學(xué)測頭，然后根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出實(shí)際被測值。視覺測量系統(tǒng)的典型產(chǎn)品有METRONOR公司的SCS和DCS系統(tǒng)，最大測量范圍為14m。

    視覺測量系統(tǒng)可分為單目和雙目二種系統(tǒng)，前者用于尺寸測量，后者則利用了幾何光學(xué)中的體視角原理，根據(jù)不同視角方向的二維圖像，通過相關(guān)或匹配運(yùn)算重建三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即可得到被測工件的三維形狀。

    采用結(jié)構(gòu)光的視覺測量方法也已逐步應(yīng)用于大尺寸測量中，如GOM公司的ATOS三維數(shù)字化測量儀的測量范圍可寬達(dá)10mm～10m。

    計(jì)算機(jī)、傳感器、激光、自動控制、圖像處理等高新技術(shù)的發(fā)展為無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)提供了廣闊的發(fā)展空間，近二十年來，無導(dǎo)軌坐標(biāo)測量系統(tǒng)發(fā)展極快。一方面，許多新技術(shù)已轉(zhuǎn)化為定型產(chǎn)品，應(yīng)用于實(shí)際測量；另一方面，在測量實(shí)踐中又出現(xiàn)了許多更新、更難的課題需要量儀設(shè)計(jì)者去研究解決，例如：如何合理設(shè)計(jì)激光跟蹤系統(tǒng)的測量靶，如何建立視覺測量法中的圖形拼接函數(shù)，如何提高圖像測量精度等等，這些都是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的問題。