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推动着各公司和机构提高了对影像测量技术的重视,影像测量仪的品种和规模也不断扩大[2-4]。国外影像测量仪技术的由于起步早,技术发展比较成熟,因此市场占有比例高,产品知名度和普及度也较高。美国OGP公司设计的VidicomQualifier863,是首个使用固态CID相机和灰度图像处理技术的现代影像检测系统。该公司在影像测量技术领域拥有着多项核心技术和专利。德国蔡司(ZEISS)公司旗下的高端三坐标测量机处于行业先进水平,代表性产品为光学三坐标测量机O-INSPECT系列。其他生产影像测量仪公司如日本MITUTOYO、NIKON,瑞典HEXAGON等也有着雄厚的技术力量。国内的影像测量技术由于起步晚,技术力量薄弱,但随着国家的重视和科研经费投入的加大,相关技术水平持续提高,研究成果也不断涌现。智泰集团(3DFAMILY)代表性的VMC250S型影像仪使用XYZ全闭环伺服控制系统;采用了自主研发的OVMPro全自动光学测量系统,并具有SPC报表分析功能,提高了批量检测的效率,但难以测量高度尺寸。天准公司于2007年自主开发了一款二维自动影像测量仪,打破了国外厂家的技术垄断。其他新兴企业如冶信、新天等生产的影像测量仪器和设备也逐渐在国内市场上崭露头角,占据着一席之地。
2影像测量仪的结构分类与特点
影像测量仪主要由机械主体、标尺系统、影像探测系统、驱动控制系统以及测量软件等组成。影像测量仪的结构型式主要有柱式、固定桥式和移动桥式。柱式一般用于小量程的机器,桥式一般用于中大量程的机器。
2.1柱式影像测量仪
柱式结构底部为基座,二维工作台分别沿X和Y向移动,影像探测系统可在固定立柱上沿Z向运动,结构牢固、精度高,不过工件的重量对工作台运动有影响,不能承载过重工件,适合于中小行程影像测量仪。
2.2固定桥式影像测量仪
固定桥式测量仪的X、Y、Z轴相互正交并沿着各自导轨运动,其中Z轴上安装有影像探头并可以相对Y轴做垂直运动,而Y轴则安装在基座上。Z轴部分和Y轴部分的总成牢固装在机座两侧的桥架上端。每轴都由电机来驱动,可确保位置精度,但不适合手动操作,该结构稳定、整机刚性好。
2.3移动桥式影像测量仪
移动桥式结构是目前大量程影像测量仪中应用最广泛的一种结构形式。其中,工作台固定,其中一个桥框由导轨带动在工作台上沿X轴移动,同时由另一个导轨带动滑板在桥框上沿Y轴移动,主轴则沿Z轴移动。被测工件安放在工作台上,影像探测部件安装在主轴上。这种形式的影像测量仪结构简单、紧凑,刚度好,具有较开阔的空间。
3展望
1安装指向测量技术
1.1方位角测量
采用GPS测量方法获取大地方位角[2]。在1#、2#和3#测量墩上分别架设GPS接收机,测量时段为2h,高度截止角为5°,采样间隔为5s,如图1所示。使用观测站精密星历解算得该1#墩的WGS84下笛卡尔坐标,平差得到各点在WGS-84坐标下的平面坐标。
1.2控制网布设
采用LeicaTDA5005全站仪对8个平面控制点进行边角网测量[3,4],如图2所示。1.3双经纬仪测量系统建站与传递因摄影测量坐标系为局部坐标系,需利用双经纬仪测量系统通过公共点将其转换至大地坐标系下[5,6]。在天线角点及边缘均匀选取8个位置,在背架上固定工装,粘贴8个测量标志点,作为连接经纬仪系统与摄影测量系统坐标系的公共点,如图3所示。利用双经纬仪系统测得公共点在控制网坐标系下坐标[1,7],即可将天线面测量点摄影测量坐标转换至控制网坐标系下。
2面型精度测量技术
采用VSTARS工业摄影测量系统、双经纬仪系统测量天线面型精度。在每块面板上粘贴9个测量标志点,如图4所示,共计1350个。每行间隔1块面板布设1个编码标志,共计16×5=80个。摄影距离约为6m。利用双经纬仪测量系统测量8个公共点在设计坐标系下的坐标;利用INCA3相机拍摄像片,单次测量拍摄约130张,导入V?STARS软件处理得到测量点和公共点三维坐标[8];利用8个公共点将测量点坐标转换至设计坐标系下;将测量点坐标与天线设计模型做比对得到天线面型精度。
3安装指向测量精度
天线指向精度依据方位角测量精度、控制网布设精度及双经纬仪测量系统建站与传递精度等多方面因素估算得出。
3.1方位角测量精度
采用GPS国家二等网的要求测量,单点解算精度±2mm以内,1-3测量墩距离为185.2m,1-2测量墩距离为166.8m,换算成角度1-2方向±2.5″(0.0007°),1-3方向±2.2″(0.0006°)。
3.2控制网
布设精度平面控制网测量,对8个平面控制点进行边角网测量,具体测量方案如图1所示。每设站观测2个测回,具体限差指标如表1所示。平差后最大点位误差为±0.442mm,最大点间误差为±0.442mm,最大边长比例误差为:1/212100,控制网最短边长为20.3m,按最大点位误差及最短边换算最大角度影响为±4.5″(0.001°)。
3.3双经纬仪测量
系统建站精度采用对8个公共点前后2次测量的重复精度计算双经纬仪系统的建站精度,该坐标差(RMS)为1??192mm,故单次测量精度为1.192/2=0.843mm。在9m范围内引起的角度偏差值约为:0.843×29000×1803.14=0.011。
3.4双经纬仪测量
系统与摄影测量系统传递精度对双经纬仪测量系统与摄影测量系统测得的8个公共点坐标进行公共点转换,转换后误差(RMS)为0.838mm。在9m范围内引起的角度偏差值约为:0.843×29000×1803.14=0.011°。综合上述角度误差,天线指向精度约为:0.00072+0.0012+0.0112+0.0112≈0.016。
4面型测量技术
精度采用公共点转换法将测量点坐标转换至设计坐标系下,与天线设计模型作比对得到面板各点位偏差以指导调整[9]。经4次测量、3次调整后,天线面型精度(RMS)为0.304mm,达到设计要求。各次测量天线面型精度如表2所示,测量点偏差分布如图5所示。
5结束语
在直吹式制粉系统中,锅炉输粉管道内流动的是含煤粉的高速气流。用传统的差压法测量风速,不能解决前端测量元件的磨损和被堵塞的问题,采用微波衰减测量技术和相关法,可准确测量直吹式制粉系统一次风的风速。使用特殊耐磨材料制作的测量探头,可解决测量过程中前端测量元件的磨损和被堵塞问题,为直吹式制粉系统锅炉,提供准确可靠的监测手段。锅炉输粉管道中的风煤气流是典型的两相流体。对两相流体,用相关法原理进行速度测量是比较好的方法。所谓相关法,就是当被测流体在管道内作稳态流动时。在上、下游的2个微波传感器及变送器所拾取的随机流动噪声信号,可认为是符合各种状态的2个样本函数。同时,只要2个传感器的间距布置合理,且2个传感器及变送器的静态性能一致,则可认为两个随机流动信号是相似的,具有相关性。两者信号之间的相关时间,就是被测流体在测量间距内流动的时间。因此,管道内风速的非接触式测量问题,就被转化为随机流动噪声信号的拾取和相关函数的计算,确定了两者信号的峰值时间,从而就解决了两相流的测量问题。利用相关法测量风速的原理是:采用微波传感器获取两相流体的流动噪声信号,经相关处理后,求得离散相的平均风速。用相关法进行风速测量的示意图,如图1所示。该系统可用微波传感器,获取两相流体的流动噪声信号。4个微波传感器探头组合成两组,微波探头1、2作为上游传感器,微波探头3、4作为下游传感器。微波探头1、3作为微波发射探头,用于在锅炉输粉管道中激励微波,微波探头2、4作为微波接收探头,用于获取锅炉送粉管道中风煤两相流的噪声信号。信号源向微波发射探头输送微波信号,相关器可对风煤两相流的流动噪声信号进行相关处理。如图1所示,当某段煤粉混合物流过微波探头1、2和微波探头3、4之间时,微波接收探头就能收集该段混合物的浓度、温度、风煤混合程度等相关因素的信号。因为在不同时刻、不同管段间的煤粉混合物的浓度、温度、风煤混合程度等因素不可能完全相同,所以接收探头接收到的信号是随机信号,即流动噪声信号。但当探头之间的间距L不超过某个值,对于同一段风煤混合物(如A段)分别流过探头1、2和探头3、4之间时,在探头2、4上接受的信号在形式上应具有很强的相关性,但在时间上存在一个延时τ。即如果探头2测到的信号为x(t),则在探头4上测到的信号为y(t)=x(t-τ)。而延时τ就是流体流过距离L所用的时间。相关器将采入探头2上的信号x(t)和探头4上的信号y(t)=x(t-τ)。当信号数量足够多时,相关器对数据进行相关处理后,就可得到延时。
2测量系统的构成
风煤的微波测量系统,如图2所示。两组微波探头按要求安装在管道上,微波信号通过两组微波探头被送入信号处理单元,信号经过处理,送入相关性处理运算单元,经过相关器识别出相关的微波信号,然后再经过运算,得出速度信号,直接将信号送到集控室的监测界面。另一组探头输出的煤粉浓度信号,也被送入集控室的监测界面。在安装风煤的微波测量探头时,微波探头应垂直于管壁,同方向上的微波探头中心连线应与输粉管道的轴线平行。为防止两组微波互相干扰,两组探头在理论上应该互相垂直,但在实际安装中不能保证绝对垂直,故两个方向上的微波探头在轴线夹角上的最大偏差为90°±3°。
3检测与运行
经过间隔τ0时间后,由2个下游微波接收探头得到的曲线,如图3所示。从图3可知,微波探头2接收的信号,经过τ0时间后,微波接收探头4得到相似的信号。由于接收探头上产生的信号与该段混合物的浓度、温度、风煤混合程度等因素有关,所以,仅在设定的管道长度内,才能接受到相似的信号,从而得到送粉管道的风速。利用微波特性测量送粉管道风速,对被测流体的流动产生的影响很小,甚至不产生阻碍作用或附加流动阻力,无疑是最适合用于多相流的测量方法。经过多次试验,利用微波传感器获取两相流体的流动噪声信号,这种间接测量方法的重复性好,检测设备的运行非常稳定。此外,微波测量方法克服了传统风速测量探头易磨损或堵塞等缺陷。
4结语
随着社会的进步,一些工程建筑对于测绘技术的精准度的要求越来越高,例如我国目前比较发达的高铁建设工程,由于列车的运行速度比较高,所以对于测绘的要求几近苛刻,一点点测绘上的误差都会造成不可估量的经济损失,并埋藏下重大的安全隐患,在这样的社会背景之下,对于测绘的精准度的要求越来越高,对于现今技术的需求也越来越迫切,因此,必须全面的提升精密工程中对于先进技术手段的研发。
2变形监测
以变形监测技术为基础的计量全站仪技术,通过自动全站仪,能够进行可控测量,而且精度高,可以进行立体监测。现阶段的全自动测量技术在不断地取代传统的方式,对于之前的一些未能达到的领域在不断地进行突破,尤其一些先进设备的投入完成了我们人类无法完成的工作,像是机器人的投入,打破了环境的限制,未来的发展将越来越朝着高效的领域发展,不断地打破传统,使得工作的变得更加的全面,打破传统的局限性,更好的进行相关的测量工作,未来的发展将会使我们的生活变得更加的丰富多彩。
3对我国工程测量技术的探索和展望
21世纪是科技高速发展的时期,工程测量技术也处在了一个转型和蓬勃发展的时期,工程测量技术开始向着人工智能的方向发展,全自动的测量机器人将得到研发和应用;随着现代工业流程和工程技术质量要求的不断提高,三维测量技术将会得到进一步的发展,对工程的机械测量会向着人体科学测量的方向发展;多种先进仪器的集成为了测量技术发展的主流,GPS、全站仪、摄影测量仪器和激光扫描仪等的结合和集成发展,将降低测量工作的人力和成本;3S技术和变形监控技术将得到更广泛的应用;工程测量领域和军事国防领域的结合会不断提高;国家各领域的联系也会逐渐紧密。
4全面推动工程测量的几点建设性意见
4.1研究和建立现代工程测量体系。工程测量不仅是一门测量的学问,同时也是进行工业建设施工中的一个服务部门,是组织施工建设的一个前提保障。因此,应该切实的完善工程测量体系,使之逐渐的完善系统起来。要在现有的提高测量技术的前提之下,加大技术研发团队的建设,加大科研立项的鼓励,不断的拓展不同的服务业务,进行技术的全面革新,总之要不断的适应当前的市场经济体系,研究建立起一个完善成熟的体系,使之更好的适应社会发展需求,进而得以快速健康的发展下去。
4.2研发和应用工程测量新技术。工程测量技术的全面发展最终需要依托于科学技术的进步,只有测量的手段和方法得到了不断的提升,才能总根本上改变现有测量技术的现状,全面提高测量的效率和测量的精准度,因此,相关的测量部门应该加大对人员的综合素质培养,并进行一定的资金倾斜,预留出专门的技术研发资金,鼓励更多的技术人员进行全新的工程测量技术的研发,并在侧栏的实际工作中加强对于测量技术的推广和应用。
4.3做好工程测量标准化协调工作。近年来,由于国家经济建设取得了举世瞩目的成果,社会也不断的在发展进步,因此,一些项目的管理都日趋成熟起来,我们国家也因此对工程测量的标准化工作做出了一些积极的努力和改革,但是由于目前的标准化改革还不够全面,缺乏一个统一的监管部门和行之有效的监管方法,所以不同工程的测绘标准也出现了差异,这就给测绘工作带来了压力,因此,需要不断的协调好各个部门之间的关系,争取早日的将工程测量的标准统一化,系统化。
5结语
项目化教学需要用已有的知识和技能来完成实际的工作任务,解决实际的工程问题,这“已有的知识和技能”就来自原来的传统的教学模式,其在基础理论教学中有无可替代的优势。项目化教学的同时应结合传统教学模式,让学生既能获得基础知识的储备又能提高动手能力、创新能力,激励学生发现自己特有的天赋和才能。
二、公差与技术测量课程的现状
公差与技术测量课程是高职院校机械类专业的一门重要技术基础课,是连接设计类和工艺类课程的纽带,先修课程有机械制图、机械设计基础等,理论知识和实践技能并重。笔者从自己学生时代学习这门课到现在教这门课的切身体验来说,这门课概念定义多,如互换性定义、公差标准化概念、14种形位公差的释义等;基本术语多,如尺寸基本术语、公差基本术语、配合基本术语、公差原则基本术语等。这些基础知识多且有较大的理解难度,加之高职学生学习主动性不高,学完这部分知识通常满头雾水,不知道何为极限与配合、互换性和公差标准化有什么关系,只知道做题的时候需要查孔或轴的基本偏差表和标准公差表,可具体为什么要查这些国家标准更是不清楚了。另外,还需掌握基本量具量仪的使用,掌握常见形位公差的测量方法、学会处理测量误差,能识读零件图中各种公差代号、符号和标准,能分析滚动轴承、平键连接、螺纹连接等的互换性。由于学生基础部分不扎实和缺乏完善的试验器材,很多学校,包括本科院校对这部分内容都是一带而过,即使有教师认真讲授,学生也难以接收。
三、高职公差与技术测量课程项目化教学设计
针对这门课基础知识多且难、教学硬件不完善,笔者以学院简单的试验器材为载体,从高职学生主动性不高、基础知识不扎实为出发点,综合传统教学和项目化教学,学习其他教师关于项目化教学在《公差与技术测量》中的运用探索,去除一些个人认为知识繁杂,学生易混淆的地方,如文章中把基础知识全部融入项目识读零件图中,看起来项目内容很多很强大,若全部掌握会很有成就感,但学生看到任务书或者学习过程中难免会因多因难而产生厌倦情绪甚至放弃学习,最终适得其反,这部分知识又是本门课的核心部分,不可丢弃。笔者对这门课的教学项目设计看似任务性不是很强,但简单清晰,学生容易接受,在贵州工业职业技术学院数控技术专业学生的学习中反映良好。
(一)课程内容设计
该课程项目化设计为六个项目十三任务,目标是学生在学习后能够建立几何参数互换性、公差标准化的概念;掌握所学各种公差标准的基本内容及特点,根据产品的功能要求,学会初步选用公差与配合;能正确理解、标注常用的公差配合要求,并能查用有关表格,学会正确选择和使用常用量具和仪器,能对一般几何量进行综合检测,了解各种典型零件的互换性及其检测方法。拟重点培养学生的学习能力,使学生掌握必要的专业知识,学会团队合作、独自思考、认真负责。
(二)能力训练项目设计
能力训练项目设计即任务具体设计,从拟实现能力目标、相关支撑知识、训练方法及步骤和结果展示这几个方面进行。运用项目教学法进行教学时,学生是认知的主体和知识意义的主动建构者,根据项目教学的教法思路和前辈们的经验,笔者设计了项目教学法的教学步骤。该步骤贯穿于整个教学过程,其中应根据具体任务,某些环节简化,某些环节强调。在任务实施的整个过程中,教师全程指导,必要的情况下,教师 可根据学生实际情况实施分层教学、递进教学。即对实施任务存在较大困难的小组进行任务难度的适度降低;在实施过程中,若指导亦不能使学生顺利完成任务,可采用案例教学的方法进行进一步引导,保证每个学生、每个小组均完成完整的工程任务。
四、总结