三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在鋁合金車(chē)體測(cè)量中的應(yīng)用

田亞鵬 董新華 漆宸瑄

摘要

近年來(lái)在中國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)，動(dòng)車(chē)組技術(shù)得到迅速推廣和普及。動(dòng)車(chē)組車(chē)體是由鋁合金型材焊接而成，本文總結(jié)鋁合金焊接技術(shù)、鋁合金車(chē)體技術(shù)中面臨的問(wèn)題，并提出三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在檢測(cè)鋁合金車(chē)體外形、定位尺寸檢測(cè)方面的應(yīng)用原理、應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：鋁合金車(chē)體；三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)

1.鋁合金車(chē)體技術(shù)

鋁合金車(chē)體技術(shù)是動(dòng)車(chē)組核心技術(shù)之一。鋁合金材料具有密度低、強(qiáng)度高、塑性好、抗腐蝕等特性，在航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械制造等領(lǐng)域中大量應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前，世界先進(jìn)國(guó)家的動(dòng)車(chē)組，除法國(guó)的TGV電動(dòng)車(chē)組車(chē)體為不銹鋼外，其余高速車(chē)均為鋁合金車(chē)體。

鋁合金車(chē)體技術(shù)具有重量輕、強(qiáng)度高、加工型和可焊性強(qiáng)的特點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)的CRH2、CRH3、CRH5動(dòng)車(chē)組及國(guó)產(chǎn)化動(dòng)車(chē)組均采用鋁合金車(chē)體。隨著我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)的不斷發(fā)展及成熟，地鐵及城軌車(chē)輛大規(guī)模建設(shè)應(yīng)用。

鋁合金車(chē)體焊接通常分為車(chē)體大部件自動(dòng)焊和總成自動(dòng)焊，大部件自動(dòng)焊接一般指車(chē)頂、地板、底架、側(cè)墻自動(dòng)焊；總成自動(dòng)焊接一般指?jìng)?cè)墻和車(chē)頂、側(cè)墻和底架連接焊縫自動(dòng)焊。小部件焊接中，車(chē)鉤面板等關(guān)鍵部件也經(jīng)常使用機(jī)械手進(jìn)行焊接。

鋁合金焊接過(guò)程中，技術(shù)性影響因素眾多，為對(duì)最終焊接尺寸質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和控制，在鋁合金車(chē)體焊接調(diào)修后檢測(cè)階段引進(jìn)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。

2.三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)原理

三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)有“測(cè)量中心”之稱(chēng)，分為正交系坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)與非正交系坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)從機(jī)座經(jīng)X、Y、Z軸到測(cè)頭，采用了串聯(lián)式多層結(jié)構(gòu)，測(cè)頭向空間任一點(diǎn)的移動(dòng)是通過(guò)三根互相垂直的導(dǎo)軌平動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。受此約束，測(cè)頭的空間位置不靈活，限制了對(duì)空間任意曲面的測(cè)量柔性。上述結(jié)構(gòu)缺陷制約了正交坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，限制了其在特殊、復(fù)雜零件測(cè)量中的應(yīng)用。為了根本解決正交系坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)存在的不足，各種非正交系坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展起來(lái)。

與正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，非正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以做得比較靈活，繞一個(gè)支點(diǎn)回轉(zhuǎn)，往往比讓一個(gè)部件沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)容易做得輕巧、靈活，更容易深入到直角坐標(biāo)系不易深入的部位中去，容易在較短時(shí)間內(nèi)采集到更多的數(shù)據(jù)，容易更方便地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掃描測(cè)量。此外，非正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間開(kāi)闊。這些都是非正交系坐標(biāo)測(cè)量機(jī)近年來(lái)獲得迅速發(fā)展的原因。

全站儀即全站型電子速測(cè)儀，是由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的非正交系三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)顯示，并能與外轉(zhuǎn)設(shè)備交換住處的多功能測(cè)量?jī)x器。它是測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用最廣和最通用的一種“非正交系三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)”。在中國(guó)北車(chē)CRH3型動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體測(cè)量過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。

全站儀通過(guò)以機(jī)頭為原點(diǎn)，建立相應(yīng)的球坐標(biāo)系，如圖所示：

設(shè)點(diǎn)P（x，y，z）為空間內(nèi)一點(diǎn)，則點(diǎn)P也可以用這樣三個(gè)有次序的數(shù)r， φ，θ來(lái)確定，其中：

r為原點(diǎn)O與點(diǎn)P間的距離，即斜距；

φ為從正Z軸方向看自X軸按照逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到有向線段的角，這里的M點(diǎn)為點(diǎn)P在XOY平面上的投影。即水平角；

θ為有向線段與Z軸正向所夾的角，即垂直角。

這里r， φ，θ的變化范圍為：

r∈ [0， +∞）

φ∈[0，2π]

θ∈[0， π]

與直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式為：

全站儀通過(guò)激光測(cè)距方法測(cè)量斜距，利用光柵角度傳感器測(cè)量水平角及垂直角，通過(guò)球坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的空間位置。

3.三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在鋁合金車(chē)體測(cè)量中的應(yīng)用

3.1.應(yīng)用過(guò)程

三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在鋁合金車(chē)體測(cè)量過(guò)程中應(yīng)用主要為將各個(gè)關(guān)鍵尺寸拆解為同一坐標(biāo)系下測(cè)量點(diǎn)間關(guān)系，通過(guò)測(cè)量出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)換算后按照幾何特征對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行計(jì)算。具體過(guò)程如下：

3.1.1.物體數(shù)據(jù)化

利用電子儀器，即全站儀采集車(chē)體需測(cè)量尺寸的空間坐標(biāo)值。通過(guò)分析鋁合金車(chē)體技術(shù)文件及車(chē)體結(jié)構(gòu)，確定需要測(cè)量的關(guān)鍵尺寸，明確測(cè)量點(diǎn)位置并對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)空間定點(diǎn)將全站儀建立的球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為一直角坐標(biāo)系，將車(chē)體各個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)建立在此坐標(biāo)系中，必要時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)站測(cè)量，進(jìn)而確定各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值。

3.1.2.從采集的數(shù)據(jù)中完成三維測(cè)量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)

首先通過(guò)最小二乘法實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱(chēng)值匹配下的仿射變換，獲得初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步采用最優(yōu)擬合變換實(shí)現(xiàn)原有數(shù)據(jù)到初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的剛性變換。最終通過(guò)基于坐標(biāo)變換的參照測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)相似變換對(duì)剛性變換下三維數(shù)據(jù)進(jìn)行微小精度調(diào)整，通過(guò)7參數(shù)坐標(biāo)變換法最終完成鋁合金車(chē)體尺寸三維測(cè)量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

3.1.3.檢驗(yàn)、分析三維尺寸

利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照測(cè)量尺寸與測(cè)量點(diǎn)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行計(jì)算分析，確定各個(gè)關(guān)鍵尺寸的測(cè)量值，確認(rèn)各尺寸是否存在質(zhì)量問(wèn)題。

3.2.影響因素及解決方法

環(huán)境因素：其中由于利用非接觸測(cè)頭，采用激光測(cè)距方法，因此外界環(huán)境對(duì)測(cè)量精度影響最大。外界環(huán)境包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動(dòng)、外界振動(dòng)、儀器支架和被測(cè)物的穩(wěn)定性等。不同環(huán)境下得到的測(cè)量結(jié)果可能大相徑庭，在高精度測(cè)量中必須保證外部環(huán)境參數(shù)的平穩(wěn)性。車(chē)體經(jīng)過(guò)焊接后都存在著應(yīng)力，并且需要保證車(chē)體四角重量載荷均衡分配。因此測(cè)量底架時(shí)需要保證底架處于自然狀態(tài)，支撐面為平面。完成的車(chē)體及整備的車(chē)體則需要EKM稱(chēng)重設(shè)備進(jìn)行四角重量載荷調(diào)整。測(cè)量部件時(shí)環(huán)境平穩(wěn)，不允許在部件上施工。

操作者因素：由于儀器的高度自動(dòng)化，對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)、技巧的要求大為降低，但也需要正確操作。比如測(cè)量錯(cuò)誤的測(cè)量點(diǎn)，把握反射片時(shí)手抖動(dòng)或測(cè)量位置偏斜，測(cè)量過(guò)程中碰撞儀器支架

三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在檢測(cè)鋁合金車(chē)體外形、定位尺寸方面精度高、操作簡(jiǎn)便，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。作者簡(jiǎn)介：田亞鵬（1985-），河北省唐山市人，職務(wù)：質(zhì)量工程師。