三坐标测量技术在铝合金车体测量中的应用

近年来在中国铁路运输业，动车组技术得到迅速推广和普及。动车组车体是由铝合金型材焊接而成，本文总结铝合金焊接技术、铝合金车体技术中面临的问题，并提出三坐标测量技术在检测铝合金车体外形、定位尺寸检测方面的应用原理、应用方法。

1.铝合金车体技术

铝合金车体技术是动车组核心技术之一。铝合金材料具有密度低、强度高、塑性好、抗腐蚀等特性，在航空、航天、汽车、机械制造等领域中大量应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前，世界先进国家的动车组，除法国的TGV电动车组车体为不锈钢外，其余高速车均为铝合金车体。

铝合金车体技术具有重量轻、强度高、加工型和可焊性强的特点。近年来，我国引进的CRH2、CRH3、CRH5动车组及国产化动车组均采用铝合金车体。随着我国高速动车组技术的不断发展及成熟，地铁及城轨车辆大规模建设应用。

铝合金车体焊接通常分为车体大部件自动焊和总成自动焊，大部件自动焊接一般指车顶、地板、底架、侧墙自动焊；总成自动焊接一般指侧墙和车顶、侧墙和底架连接焊缝自动焊。小部件焊接中，车钩面板等关键部件也经常使用机械手进行焊接。

铝合金焊接过程中，技术性影响因素众多，为对最终焊接尺寸质量进行检验和控制，在铝合金车体焊接调修后检测阶段引进三坐标测量技术。

2.三坐标测量技术原理

三坐标测量技术有“测量中心”之称，分为正交系坐标测量系统与非正交系坐标测量系统。正交系坐标测量机从机座经X、Y、Z轴到测头，采用了串联式多层结构，测头向空间任一点的移动是通过三根互相垂直的导轨平动实现的。受此约束，测头的空间位置不灵活，限制了对空间任意曲面的测量柔性。上述结构缺陷制约了正交坐标测量机的进一步发展，限制了其在特殊、复杂零件测量中的应用。为了根本解决正交系坐标测量技术存在的不足，各种非正交系坐标测量系统应运而生并迅速发展起来。

与正交系坐标测量机相比，非正交系坐标测量机可以做得比较灵活，绕一个支点回转，往往比让一个部件沿直线导轨运动容易做得轻巧、灵活，更容易深入到直角坐标系不易深入的部位中去，容易在较短时间内采集到更多的数据，容易更方便地实现手动扫描测量。此外，非正交系坐标测量机的测量空间开阔。这些都是非正交系坐标测量机近年来获得迅速发展的原因。

全站仪即全站型电子速测仪，是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的非正交系三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外转设备交换住处的多功能测量仪器。它是测绘行业应用最广和最通用的一种“非正交系三坐标测量机”。在中国北车CRH3型动车组铝合金车体测量过程中得到了广泛的应用。

全站仪通过以机头为原点，建立相应的球坐标系，如图所示：

设点P（x，y，z）为空间内一点，则点P也可以用这样三个有次序的数r， φ，θ来确定，其中：

r为原点O与点P间的距离，即斜距；

φ为从正Z轴方向看自X轴按照逆时针方向转到有向线段的角，这里的M点为点P在XOY平面上的投影。即水平角；

θ为有向线段与Z轴正向所夹的角，即垂直角。

这里r， φ，θ的变化范围为：

r∈ [0， +∞）

φ∈[0，2π]

θ∈[0， π]

全站仪通过激光测距方法测量斜距，利用光栅角度传感器测量水平角及垂直角，通过球坐标系和直角坐标系的转化关系，计算出测量点的空间位置。

3.三坐标测量技术在铝合金车体测量中的应用

3.1.应用过程

三坐标测量技术在铝合金车体测量过程中应用主要为将各个关键尺寸拆解为同一坐标系下测量点间关系，通过测量出各个测量点坐标进行坐标配准换算后按照几何特征对关键尺寸进行计算。具体过程如下：

3.1.1.物体数据化

利用电子仪器，即全站仪采集车体需测量尺寸的空间坐标值。通过分析铝合金车体技术文件及车体结构，确定需要测量的关键尺寸，明确测量点位置并对测量点进行测量，通过空间定点将全站仪建立的球坐标系转化为一直角坐标系，将车体各个测量点坐标建立在此坐标系中，必要时进行转站测量，进而确定各个测量点的坐标值。

3.1.2.从采集的数据中完成三维测量数据的配准

首先通过最小二乘法实现标称值匹配下的仿射变换，获得初始配准目标数据。进一步采用最优拟合变换实现原有数据到初始配准目标数据的刚性变换。最终通过基于坐标变换的参照测量点，通过相似变换对刚性变换下三维数据进行微小精度调整，通过7参数坐标变换法最终完成铝合金车体尺寸三维测量数据的配准。

3.1.3.检验、分析三维尺寸

利用数据库对配准数据，按照测量尺寸与测量点间对应关系，进行计算分析，确定各个关键尺寸的测量值，确认各尺寸是否存在质量问题。

3.2.影响因素及解决方法

环境因素：其中由于利用非接触测头，采用激光测距方法，因此外界环境对测量精度影响最大。外界环境包括温度变化、温度梯度、大气抖动、外界振动、仪器支架和被测物的稳定性等。不同环境下得到的测量结果可能大相径庭，在高精度测量中必须保证外部环境参数的平稳性。车体经过焊接后都存在着应力，并且需要保证车体四角重量载荷均衡分配。因此测量底架时需要保证底架处于自然状态，支撑面为平面。完成的车体及整备的车体则需要EKM称重设备进行四角重量载荷调整。测量部件时环境平稳，不允许在部件上施工。

操作者因素：由于仪器的高度自动化，对操作者经验、技巧的要求大为降低，但也需要正确操作。比如测量错误的测量点，把握反射片时手抖动或测量位置偏斜，测量过程中碰撞仪器支架

三坐标测量技术在检测铝合金车体外形、定位尺寸方面精度高、操作简便，具有无可比拟的优势。

（工业技术图书馆）

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