激光测量技术在船板多点成形上的应用

韩杰 殷文齐 张忠顺

摘 要：结合船体空间三维曲面外板多点成形的特点，对常用的曲面三维测量的接触式和非接触式测量法进行了对比，阐述了激光测量技术的优势，系统介绍了激光飞行时间法和三角法在船板多点成形三维测量中的应用方法。

关键词：船板多点成形；曲面三维测量；非接触测量；激光测量；三角法；飞行时间法

船体空间三维曲面外板多点成形，是一种取代水火曲面成形加工工艺的板材成形新技术。在船板多点成形加工过程中，按工艺要求每段形面的成形需分多道次完成，为更好地控制成形效果，在每道次间均需对形面形状进行检测，并通过检测结果与最终尺寸进行比对，以计算出下一道次的各点压下量数据，从而达到有效控制回弹使零件达到最终尺寸的要求。

1 常用曲面三维测量方法

三维测量的目的是获取物体表面各点的空间坐标数据，测量中应用的测量方法主要有两大类：一种是传统的接触式测量法，如三坐标测量机；一种是非接触式测量法，如投影光栅法、三角法、离焦法、轴向位移转换法、全息法等。

1.1 接触式测量

接触式测量典型的是三坐标测量机，其测量原理是：探针式测头在被测物体表面沿坐标轴精确移动，来获取接触点的三维坐标。它以精密机械为基础，综合应用电子、光学、计算机和数控等先进技术，对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。三坐标测量具有测量精度高且可靠，灵活性强，智能化程度高等优点，但探头易磨损需定期更换，需要人工干预，价格昂贵，对使用环境有一定要求，测量速度慢，效率低。

1.2 非接触式测量

基于光学的非接触式测量是现代测量技术的一个重要分支，也是曲面外表面的非接触式测量中，应用最多的测量方法。光学非接触测量技术是一种以光学为基础，融合电、机和计算机技术于一体的现代测量技术，与传统的接触式测量相比，具有非接触、高速、高效、高响应的突出特点。

随着激光技术的不断发展，在利用光学测量法的三维曲面测量中，各种激光测量法已逐渐成为光学非接触三维测量领域的主流。在利用激光进行的三维测量中应用最广泛的测量方法主要有三种：干涉法、飞行时间法和三角法。

1.2.1 干涉法

干涉法测量是利用激光的干涉原理来完成对物体测量的一种方法，其原理是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，通过测量光波与参考光波相干叠加产生的干涉条纹变化量来获得物体表面的深度信息。干涉法的测量精度高，在100m范围内可以获得0.1mm的分辨率。

1.2.2 飞行时间法

飞行时间法是通过测量脉冲光束的飞行时间来测量距离的一种测量方法，其原理是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。飞行时间法以时间分辨率来换取距离测量精度，精度相对较低，一般在1mm左右，精度高的测量头可达亚毫米级，常用于大尺度远距离测量。

1.2.3 三角法

三角法是光学测量中最常见的一种测量方法。它是将待测点的深度坐标，通过不同的检测元件，利用几何三角关系转换为相对于光学基准的偏移量进而计算出该点深度值。根据具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和主动三角法。

激光三角法测量是基于激光的主动三角法，是近年来研究较多、发展比较成熟的一种测距方法。其测量原理是：由光源发出的光照射到被测物体表面上，反射后在检测器（如：CCD）上成像，物体表面的位置改变，检测器上成的像也随之改变，由几何三角关系即可通过对像移的检测和计算出实际高度。激光三角法测量的精度取决于感光设备的敏感程度、与被测表面的距离、被测物表面的光学特性等，适合于近距测量，精度一般在丝米级。

2 测量方法的选择

船板的形状尺寸测量是一个典型的外表面三维曲面测量。由于船板是一个连续而光滑的曲面，因此，可以将整个曲面离散成m×n个点，通过测量得到这些点的坐标值后，即可通过软件拟合出整个曲面。

由于传统的接触式测量，存在探头易磨损，需要人工干预，价格昂贵，对使用环境有一定要求，测量速度慢，效率低等问题，因此，虽然其有较高的测量精度，但确并不适合应用在船板多点成形在线测量中。

对比三种常用的激光测量方法，测量精度均能满足船板的测量要求。本着实用而不浪费的原则，由于干涉法测量所需的测量设备成本较另外两种方法高出很多，并且使用时需反射镜，现场在线使用不方便，速度慢效率低，因此，采用飞行时间法或三角法的激光测量传感器比较适合船板三维测量，其设备价格较低，对测量表面的要求不高，并且可直接测量，使用灵活方便。

3 扫描装置

扫描装置是激光测量头的安装平台，其作用是带动激光测量头沿X轴和Y轴运动，完成对整个测量表面的扫描，并在测量的同时给出测量点的X方向和Y方向的坐标值。

为了提高测量效率，最终确定扫描装置采用多点方式，这样可以大大提高船板多点成形的生产效率。由于多点测量方式使用的激光测量头数量较多，因此，在满足测量精度要求的前提下，选择了价格相对较低的飞行时间法激光测量头。

扫描系统由电动滑台、联轴器、接轴、减速机、伺服电机、测量架、测头等部分组成（见图1）。电动滑台和减速机通过架子固定在上模座上，伺服电机与减速机相连，并通过接轴与电动滑台连接，测量架固定在電动滑台上。测量时，在伺服电机驱动下，电动滑台带动测量架沿X方向移动，每走一个步长测头测量当前X坐标下各点的Z坐标值，直到测量完整个板材表面点阵（见图2）。

4 结束语

综上所述，多点成形技术可以用于成形大型船板，它通过将模具离散化的方式，实现船板的“柔性”制造，通过分段成形等方式，成形出具有复杂三维曲面的板材。为了得到符合要求的板材，需要测量每次成形后的板材形状，采用方向性和单色性好，能量高度集中的激光作为光源，测量方法用飞行时间法和三角法都可以。由于测量精度要求不高，为了降低成本，选择飞行时间法测量，测头用多点式；如果有更高的测量精度要求，可以选用三角法测量，测头用单点式。

参考文献

[1]李明哲，崔相吉，等.多点成形技术的现状与发展趋势[J].锻压装备与制造技术，2007.