激光測量技術在船板多點成形上的應用

韓杰 殷文齊 張忠順

摘 要：結合船體空間三維曲面外板多點成形的特點，對常用的曲面三維測量的接觸式和非接觸式測量法進行了對比，闡述了激光測量技術的優勢，系統介紹了激光飛行時間法和三角法在船板多點成形三維測量中的應用方法。

關鍵詞：船板多點成形；曲面三維測量；非接觸測量；激光測量；三角法；飛行時間法

船體空間三維曲面外板多點成形，是一種取代水火曲面成形加工工藝的板材成形新技術。在船板多點成形加工過程中，按工藝要求每段形面的成形需分多道次完成，為更好地控制成形效果，在每道次間均需對形面形狀進行檢測，并通過檢測結果與最終尺寸進行比對，以計算出下一道次的各點壓下量數據，從而達到有效控制回彈使零件達到最終尺寸的要求。

1 常用曲面三維測量方法

三維測量的目的是獲取物體表面各點的空間坐標數據，測量中應用的測量方法主要有兩大類：一種是傳統的接觸式測量法，如三坐標測量機；一種是非接觸式測量法，如投影光柵法、三角法、離焦法、軸向位移轉換法、全息法等。

1.1 接觸式測量

接觸式測量典型的是三坐標測量機，其測量原理是：探針式測頭在被測物體表面沿坐標軸精確移動，來獲取接觸點的三維坐標。它以精密機械為基礎，綜合應用電子、光學、計算機和數控等先進技術，對三維復雜工件的尺寸、形狀和相對位置進行高精度的測量。三坐標測量具有測量精度高且可靠，靈活性強，智能化程度高等優點，但探頭易磨損需定期更換，需要人工干預，價格昂貴，對使用環境有一定要求，測量速度慢，效率低。

1.2 非接觸式測量

基于光學的非接觸式測量是現代測量技術的一個重要分支，也是曲面外表面的非接觸式測量中，應用最多的測量方法。光學非接觸測量技術是一種以光學為基礎，融合電、機和計算機技術于一體的現代測量技術，與傳統的接觸式測量相比，具有非接觸、高速、高效、高響應的突出特點。

隨著激光技術的不斷發展，在利用光學測量法的三維曲面測量中，各種激光測量法已逐漸成為光學非接觸三維測量領域的主流。在利用激光進行的三維測量中應用最廣泛的測量方法主要有三種：干涉法、飛行時間法和三角法。

1.2.1 干涉法

干涉法測量是利用激光的干涉原理來完成對物體測量的一種方法，其原理是將一束相干光通過分光系統分成測量光和參考光，通過測量光波與參考光波相干疊加產生的干涉條紋變化量來獲得物體表面的深度信息。干涉法的測量精度高，在100m范圍內可以獲得0.1mm的分辨率。

1.2.2 飛行時間法

飛行時間法是通過測量脈沖光束的飛行時間來測量距離的一種測量方法，其原理是通過測量發射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標的距離。飛行時間法以時間分辨率來換取距離測量精度，精度相對較低，一般在1mm左右，精度高的測量頭可達亞毫米級，常用于大尺度遠距離測量。

1.2.3 三角法

三角法是光學測量中最常見的一種測量方法。它是將待測點的深度坐標，通過不同的檢測元件，利用幾何三角關系轉換為相對于光學基準的偏移量進而計算出該點深度值。根據具體照明方式的不同，光學三角法可分為兩大類：被動三角法和主動三角法。

激光三角法測量是基于激光的主動三角法，是近年來研究較多、發展比較成熟的一種測距方法。其測量原理是：由光源發出的光照射到被測物體表面上，反射后在檢測器（如：CCD）上成像，物體表面的位置改變，檢測器上成的像也隨之改變，由幾何三角關系即可通過對像移的檢測和計算出實際高度。激光三角法測量的精度取決于感光設備的敏感程度、與被測表面的距離、被測物表面的光學特性等，適合于近距測量，精度一般在絲米級。

2 測量方法的選擇

船板的形狀尺寸測量是一個典型的外表面三維曲面測量。由于船板是一個連續而光滑的曲面，因此，可以將整個曲面離散成m×n個點，通過測量得到這些點的坐標值后，即可通過軟件擬合出整個曲面。

由于傳統的接觸式測量，存在探頭易磨損，需要人工干預，價格昂貴，對使用環境有一定要求，測量速度慢，效率低等問題，因此，雖然其有較高的測量精度，但確并不適合應用在船板多點成形在線測量中。

對比三種常用的激光測量方法，測量精度均能滿足船板的測量要求。本著實用而不浪費的原則，由于干涉法測量所需的測量設備成本較另外兩種方法高出很多，并且使用時需反射鏡，現場在線使用不方便，速度慢效率低，因此，采用飛行時間法或三角法的激光測量傳感器比較適合船板三維測量，其設備價格較低，對測量表面的要求不高，并且可直接測量，使用靈活方便。

3 掃描裝置

掃描裝置是激光測量頭的安裝平臺，其作用是帶動激光測量頭沿X軸和Y軸運動，完成對整個測量表面的掃描，并在測量的同時給出測量點的X方向和Y方向的坐標值。

為了提高測量效率，最終確定掃描裝置采用多點方式，這樣可以大大提高船板多點成形的生產效率。由于多點測量方式使用的激光測量頭數量較多，因此，在滿足測量精度要求的前提下，選擇了價格相對較低的飛行時間法激光測量頭。

掃描系統由電動滑臺、聯軸器、接軸、減速機、伺服電機、測量架、測頭等部分組成（見圖1）。電動滑臺和減速機通過架子固定在上模座上，伺服電機與減速機相連，并通過接軸與電動滑臺連接，測量架固定在電動滑臺上。測量時，在伺服電機驅動下，電動滑臺帶動測量架沿X方向移動，每走一個步長測頭測量當前X坐標下各點的Z坐標值，直到測量完整個板材表面點陣（見圖2）。

4 結束語

綜上所述，多點成形技術可以用于成形大型船板，它通過將模具離散化的方式，實現船板的“柔性”制造，通過分段成形等方式，成形出具有復雜三維曲面的板材。為了得到符合要求的板材，需要測量每次成形后的板材形狀，采用方向性和單色性好，能量高度集中的激光作為光源，測量方法用飛行時間法和三角法都可以。由于測量精度要求不高，為了降低成本，選擇飛行時間法測量，測頭用多點式；如果有更高的測量精度要求，可以選用三角法測量，測頭用單點式。

參考文獻

[1]李明哲，崔相吉，等.多點成形技術的現狀與發展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2007.