大型曲面形状激光自动测量技术研究

　　对具有整体协调要求的大型复杂曲面的宏观形状测量问题,目前仍是国内外测量技术领域尚未完全解决的问题[1～5]。但大型复杂曲面的宏观形状测量问题是一个具有重要理论意义和广阔应用前景的实际课题。例如,飞机机翼曲面的宏观形状对飞机整体性能而言至关重要,解决其快速测量问题有助于提高飞机的空气动力性能、行驶性能和寿命,降低油耗、节约能源,更重要的是有助于加速飞机产品更新换代周期。

　　1　曲面形状激光自动测量原理

　　针对大型曲面要求宏观形状整体协调的特点,笔者提出大型曲面形状激光自动测量方法,其基本思想是让非接触式光电测头与被扫描测量的大型曲面始终保持一个恒定的Z方向距离,这样测头的扫描轨迹即为被测大型曲面形状[6]。

　　1.1　Z坐标的获取准则

　　测头在实际测量过程中,若以设定的中心(指相对中心)像元为基准,则摄像机内光电子图像传感器的信号输出有3种情况:①中心像元上有光点成像信号,其它光敏元上无光点成像信号;②中心像元上有光点成像信号,其它光敏元上也有光点成像信号;③中心像元上无光点成像信号,其它光敏元上有光点成像信号。

　　前2种情况说明测头所处位置与曲面上被测部位之间已经处于所期望的那个Z方向恒定距离,故此时可以输出被测部位的Z方向坐标。第3种情况说明测头所处位置与目标大型曲面上被测部位之间尚未达到所期望的那个Z方向恒定距离,故伺服机构必须带动测头作适当的Z方向随动,直到摄像机内光电子图像传感器的中心像元上有光点成像信号为止,然后再输出被测部位Z方向坐标。

　　1.2　Z方向的随动原则

　　图1体现了第3种情况的2种状态:①测头与大型曲面上被测部位的距离u′小于它们之间的期望距离u;②测头与大型曲面上被测部位的距离u″大于它们之间的期望距离u。

　　在实际测量过程中,当出现测头与被测部位间的距离偏离期望值时,测量系统事先是不知道它究竟属于哪种状态的,此时伺服机构又如何知道应该在Z方向向上还是向下随动呢?实验表明,当测头与被测部位之间的瞬时距离“远离”期望距离值时,传感器上像点位置亦将远离所设定的中心像元而去。反之,当测头与被测部位之间的瞬时距离“趋近”期望距离值时,传感器上像点位置亦将趋近所设定的中心像元。

　　由此建立如下Z方向伺服随动原则:若传感器输出信号表明光点成像位置不在设定的中心像元上,则伺服机构必须带动测头作随动调整。

　　可行的方法是先假定一个随动方向,若输出信号表明其光点成像位置在向设定的中心像元靠拢,则说明假定的随动方向正确,伺服机构将继续沿该方向随动,直至光点成像位置与设定的中心像元重合,即可输出Z坐标;若沿假定的方向随动,输出信号表明其光点成像位置在远离设定的中心像元,则说明假定的随动方向有错,伺服机构应立即沿反方向随动,直至光点成像位置与设定的中心像元重合,即可输出Z坐标。