大尺度空间测量技术在起重机械检验中的应用

陈中剑 王葵

摘 要：起重机械的尺寸测量存在着诸多问题。本文对经纬仪测量技术、全站仪测量技术、近景数字摄影视觉测量技术、室内GPS测量技术以及激光跟踪测量技术等5种工业应用比较成熟的大尺度测量技术进行分析研究。结果表明，经纬仪测量技术应用最广泛，但是存在诸多缺点；全站仪测量技术得到了一些应用，但价格比较高，应用不是很普遍。近景数字摄影视觉测量技术得到了研究机构的研究，但还没有应用到实际检验中；室内GPS测量技术和激光跟踪测量技术有比较好的应用前景，但还没有得到起重机械领域的技术人员关注。

关键词：起重机械；经纬仪测量技术；全站仪测量技术；近景数字摄影视觉测量技术；室内GPS测量技术；激光跟踪测量技术

中图分类号：P22 文献标志码：A

0 引言

随着我国经济的飞速发展，制造业总量不断增大，进出口贸易持续增长，作为制造业生产和进出口贸易物流运输非常重要的工具，我国起重机械的数量不断增长。根据我国特种设备相关法规、规范以及标准的要求，起重机械在投入使用前需要进行安装监督检验或者首次检验，使用过程中还需要按照规定的检验周期进行定期检验。

根据目前起重机械相关的检规或者标准，起重机械的多个检验项目需要进行尺寸的测量，包括起重机械主梁的上拱度、下挠度以及静刚度、悬臂的上翘度、轨道的直线度和高度差、车轮的跨度等多个项目。根据目前的检规和标准，完成这些项目的检测需要多种不同的检验仪器。检验人员去检验时需要携带的仪器比较多，仪器操作复杂，效率低，精确度得不到保证。

起重机械的尺寸测量存在着诸多问题，本文对多种大尺度空间测量技术进行研究，分析这些测量技术的优缺点，讨论它们在起重机械检验中的应用前景，为起重机械尺寸测量提供参考。

1 大尺度空间测量技术的分析和研究

1.1 经纬仪测量技术

经纬仪测量技术是在大尺度空间测量领域常用的一种测量技术，可以测量水平角和竖直角。在起重机械检验中，经纬仪测量技术常用在主梁的上拱度、下挠度以及静刚度和悬臂的上翘度等项目的测量。经纬仪进行相关检验项目的测量需要塔尺、钢直尺等工具的辅助。测量前需要手动照准目标。测量过程中需要人眼读取测量数值。测量结束后，测量人员通过数据计算得到测量结果。整个测量过程复杂、速度慢、效率低，不利于大批量、大空间内连续测量。测量精度低，不利于在精度要求高的起重机械检验项目中应用。

1.2 全站仪测量技术

全站仪测量技术是一种集光、机、电为一体的高技术测量技术，可以完成水平角、垂直角、距离（斜距、平距）和高差等多个参数的测量。全站仪测量技术基于极坐标法原理，设站方便灵活，操作简单，自动记录和显示测量结果，避免读数误差。测量范围大，测量精度较高，在100m的测量范围内可以达到±0.5mm左右。在起重机械检验中，全站仪可以完成主梁上拱度和静刚度、跨度测量、主梁腹板的局部平面度以及轨距测量等多个参数的测量。在现场检验中，比较常用的是马达驱动式全站仪，其具有目标自动识别功能，自动化和智能化性能程度都非常高。其在测量中可以配合反射棱镜或者塔尺，也可以直接测量。测量过程中自动记录和显示测量结果。测试结束后，检验人员可以通過简单计算得到测试结果。整个过程简单、速度快、效率高，可以同时完成多个项目的检验，适合大批量、大空间内连续测量。测量精度高，可以应用到中等精度要求的检验项目上。

1.3 近景数字摄影视觉测量技术

近景数字摄影视觉测量技术是一种新型的工业现场三维精密测量技术，通过高性能数字成像传感器建立数字图像，采用图像处理及模式识别技术自动识别目标物体，实现物体尺寸的测量。该技术测量精度高，在一定测量范围内的精度可以达到经纬仪系统和激光跟踪系统的测量精度。测量过程中，测量人员只需要完成图像的采集工作，图像的后续处理全部由电脑完成，测量过程自动化、效率高。在我国，近景数字摄影视觉测量技术在大尺寸物体测量方面精度比较低，现在主要用在测量距离比较近，测量物体比较小的情况下。而起重机械尺寸比较大，测量距离比较远，暂时很少用到近景数字摄影视觉测量技术，但是某些高校采用该项技术对起重机械相关参数进行了测量研究。随着它的技术不断改进和发展，将在起重机械检验中发挥重要的作用。

1.4 室内GPS测量技术

室内GPS测量技术是一种突破传统测量技术的大尺度空间测量技术。类似于我们生活中常用到的GPS，室内GPS测量技术由多台红外脉冲激光发射器和接收器组成。发射器安装在固定的位置，向接收器发射两个呈扇形的激光面，并且进行360°的旋转。接收器接收发射器的信号，并且将信号发送到控制器。控制器进行计算，得到接收器的三维坐标位置。室内GPS测量技术测量可以实现360°的测量，测量范围达到2m～300m。一个测量系统下可以进行多用户测量，操作方便，测量效率高。室内GPS测量技术现在主要应用在飞机、汽车等行业的制造过程中，在起重机械行业暂时没有相关的研究。

1.5 激光跟踪测量技术

激光跟踪测量技术是一种高精度大尺度测量技术，其综合了激光干涉测距原理和精密测角原理。激光跟踪测量仪在测量前建立一个空间三维坐标，然后将反射靶球放置在测量位置。激光跟踪仪跟随反射靶球的位置转动，实现对反射靶球的实时跟踪，并且得到测量位置上反射靶球的空间三维坐标。激光跟踪测量技术的研究日趋成熟，现在已有多款成熟的产品，如Leica AT401、API Radian等多款已经得到工业应用的成熟产品。激光跟踪测量技术测量范围可以达到上百米甚至几百米，在全量程范围内的精度还能够到10μm～20μm，分辨率达到亚微米级。激光跟踪仪体积小、质量轻，携带方便，非常适合需要经常搬运的场合。虽然激光跟踪测量系统具有以上的优点，但是其价格非常高，其现在主要应用在飞机和汽车等高端工业。起重机械的制造、安装、检测等要求的精度不高，因此该项技术暂时没有在起重机械行业中应用。

结语

本文对几种在工业中应用比较成熟的大尺度空间测量技术进行分析研究。结果表明，经纬仪是起重机械大尺寸测量最常用的仪器，但其携带不方便、测量效率低、精度不高。全站仪已经得到了一些检验机构的应用，但由于价格比较高，现在使用还不是很普遍。近景数字摄影视觉测量技术已经得到一些科研机构的研究，但是还没有实际应用到起重机械检验中来。室内GPS测量技术和激光跟踪测量技术有比较好的应用前景，但需要起重机械的相关技术人员进一步研究，将其应用到起重机械检验中来。

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