无棱镜全站仪在浮空器参数测量中的应用

2015-05-30杜一鸣

科技创新与应用 2015年17期

杜一鸣

摘要：文章借鉴巨大尺寸零件逆向重构技术的概念，提出了一种应用无棱镜全站仪进行浮空器参数测量的方法，并分析了该方法的可行性以及测量精度。通过结合CATIA软件进行三维曲面建模，不仅达到了进行参数测量的目的，而且得到了浮空器外形三维模型，提高了浮空器试验试飞阶段试验数据分析的准确性。

关键词：全站仪；浮空器；参数测量；三维模型

引言

浮空器去年由软式复合材料制成，对其外形尺寸进行精确控制的难度较大。对于同一型号产品，每个个体之间的参数存在一定的差别。另一方面，浮空器气囊外形参数与气球技术指标直接相关，试验试飞过程中数据分析也依赖浮空器各种参数的测量结果。所以，为了得出每个气球的准确外形参数，同时也是为了研究气球加工工艺的特性，需要对每个气球的几何参数进行测量。

由于浮空器尺寸一般較大，长度基本在20m以上，大型浮空器产品长度可以达到100m以上。因此，使用传统的测量工具对浮空器进行参数测量比较困难、精度较低，而且工作效率低下。

针对以上问题，我们选用无棱镜全站仪代替传统的测量工具，以提高参数测量精度、增加可测量项目并提高测量工作的效率。

1 无棱镜全站仪

1.1 无棱镜全站仪测距的原理

无棱镜测距又叫无接触测距，指的是全站仪发射的光束经过自然表面反射后直接测距。

常见的徕卡TCRA1101测距的基本原理是在全站仪测距头中安装有两个光路同轴的发射管：一种是IR（Infra Red）测距方式，可以发射利用棱镜和反射片进行测距的红外光束，波长为780mm，单棱镜测程为3000m；另一种是RL（Red Laser）方式，可以发射可见的红色激光束，波长为670mm，无反射棱镜测程可以达到250m，这两种测量模式可以通过仪器键盘上的操作。两种方法均为相位法测距原理，相位法测距采用很细的测量光束就可以完成测量，很细的激光束使得相邻非常近的两个点也能被准确的测量出来，很容易得到该点的点位三维坐标信息。

1.2 无棱镜全站仪数据采集和传输

无棱镜全站仪具有自动采集并储存测量数据的功能，可将数据存储于全站仪的内存或者CF卡上。外业数据采集完成后，可通过数据电缆将外业所测的碎部点数据自全站仪传输到计算机并以数据文件的形式保存。这些功能大大减少了工作人员记录数据的工作量，避免了人为因素造成的数据丢失和错误。

2 无棱镜全站仪参数测量方法

2.1 测量目标选取

由于去年外形为旋转体，理论上测量出气囊的母线即可得出气囊外形参数。不过，为了提高测量精度，我们可以选取更多的点，以达到测量多条母线的目的，这样可以根据测量结果验证气囊外形的一致性的程度。并且根据气囊不同位置母线的差异，拟合出更准确的气囊实际外形。同时，为了研究气囊周向尺寸的一致性，也可以选取几条气囊周向曲线进行测量，这样可以得到更全面的外形参数数据。

由于副气囊、整流罩和尾翼的外形属于不太规则的几何形状，因此这样部件的测量过程中，应增加测量曲线的数量，提高这些部件外形建模的精度。

特征曲线必须包括气囊与副气囊、气囊与整流罩、气囊与尾翼的交线，这样交线用于三维建模过程中将各个部件的三维模型整合到一个模型中。

2.2 特征点标记

气囊是由多片裁片热合成形，裁片在制作的过程中可以通过裁床准确定位并标记特殊点。因此，可以在设计阶段即确定需要测量的曲线，然后根据精度要求和各个曲线的曲率在这些曲线上选取一定数目的特征点。气囊的特征点需要包含头部堵头的中心点和尾部堵头的中心点。定出特征点后，在裁片设计图上标记出这些点，这样就可以通过裁床使用“十”字标记的方式将各个特征点标记出来，为方便辨认，每个特征点旁边都需要按一定规则编上序号。

2.3 特征点的测量

（1）待气囊生产完成后，向气囊内充气至气囊内外压差达到400pa，并在测量过程中保持气囊内外压差在（400pa±50pa）的范围内。

（2）在气囊内最大截面附近垫一块木板，木板外面必须用帆布包裹以免损伤气囊。

（3）将无棱镜全站仪架设于气囊内部，调平。

（4）按照特征点的序号依次测量气囊内特征点的三维坐标并记录。

（5）按照步骤（1）到步骤（4）的方法依次测量副气囊、整流罩和尾翼内的特征点并记录。

2.4 数据处理

气囊所有特征点坐标测量完成后将坐标输入CATIA软件建点并拟合气囊母线和横截面曲线。根据多条母线的横截面的测量结果评估气囊外形与理论外形的差别，从而统计出气囊加工过程中的变化趋势。

将所有部件的三维模型都建立出来之后，可以通过相交曲线相合的方式将整个球体装配起来。

2.5 精度分析

以常见的徕卡TCRA1101无棱镜全站仪为例，其距离80m以内的三维坐标测量精度由于3mm。以气囊体积计算为例，实际坐标点与测量坐标点之间的距离为：

△H=■