提高大型圆截面形状测量精度的方法

　　圆形截面形状测量是工业测量的基本任务之一,在工业生产中经常遇到.常规圆形截面尺寸的测量已经成熟,而大尺寸圆形截面几何形状的测量一直是工业上的难题,如隧道截面、飞机舱体、水轮发电机组定子和大型轴孔等都是圆形截面形状,对其尺寸准确测量具有重要意义[1-2].大型圆截面的测量难点在于被测物尺寸大,往往很难采集足够的点覆盖整个被测物.如果是分段制造,则只能测到每一段的部分数据.这样不仅造成信息少,而且点集分布不均匀[3-4].即使能够获得均匀的整个圆周上的大量信息,也需要花费大量时间,如激光跟踪仪可能进行多次移站,经纬仪的人工逐点瞄准效率低.而大尺寸工件受周围环境的影响较大,尤其是温度的影响,长时间的温度梯场变化会使测量数据噪声加大.另外由于测量熟练程度等各方面原因,测量结果不可避免地会混入噪声.这些都造成常规最小二乘方法拟合精度下降,大尺寸测量对于噪声尤其敏感.因此需要研究更有效的测量方法.

　　目前大型截面形状测量多采用常规最小二乘拟合处理方法.宋甲午等[5]研制了激光扫描系统,可动态在线测量大直径.浦昭邦等[6]利用电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)图像测量系统分段测量大型弧长.郑洪等[7]研制了激光瞄准、CCD接收激光光斑的半径测量装置.本文分析了大尺寸测量中常规拟合的特点,分别从提高圆心定位精度和提高半径测量精度两个角度提出两种测量方法,并进行了仿真和实验分析.

　　1 常规最小二乘分析

　　常规最小二乘拟合公式为

　　式中: (a,b)为圆心坐标; r为圆半径;N为测量点数量.以盾构隧道构件为实验对象进行实际测量实验.大型隧道构件有着严格要求,几何尺寸和形状误差的质量检验是制造厂家的质量管理程序中重要的一环.随着山洞、地铁、越海等隧道的大力发展,隧道的长度越来越长,经常达到十几公里,相应要求隧道直径和构件外形尺寸越来越大,制造和配合精度越来越高,因此对测量的准确度要求更高.

　　实验所用隧道构件弧长约5m,宽约2m,外径15m,内径13.7m.坐标采集设备为FARO激光跟踪仪.激光跟踪仪利用激光干涉仪测量到被测目标的距离,用编码器测量方位角和天顶角,从而得到被测目标的极坐标,再转换为笛卡尔三坐标数据.由于利用干涉仪测距,测量范围可达35m,精度可达(10±018)μm/m,整体测量精度较高,又具有自动跟踪手持靶镜的功能,是综合性能较优越的大尺寸空间坐标测量仪器.但由于需要手持靶镜测量,属于接触式测量,对操作人员的熟练程度等都有较高要求,极易引入噪声.对30个隧道构件进行实测,对采集到的圆弧上的数据进行最小二乘拟合,得到的数据如图1所示.