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随着现代制造业的快速发展，用户对质量控制提出了更高的要求。尤其是对于汽车、航空等一些大型、重型制造行业而言，由于其产品一般大而重，往往需要将质量问题在现场实时解决。正是基于这种需求，20世纪80年代，挪威迈卓诺测量系统有限公司（Metronor AS）基于摄影测量技术，开发了一系列光电式坐标测量系统——光笔测量仪，被广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造、发电设备、工程机械、机车与车辆等大型、重型制造行业，用于大型零部件、工装夹具、模具、铸、锻件等的测量。
光笔测量仪设备构成与工作原理
迈卓诺光笔测量仪主要由传感器系统（相机和支撑架）、采点系统（碳纤维测量光笔及测针）、电脑与测量软件组成。采用摄影测量技术，相机通过测量镶嵌在光笔上的多个红外发光二极管（LED）的三维坐标，得到光笔在空间的位置和姿态（xyzijk六维参数）。由于光笔底端的测针经过精确校准，与光笔的几何关系唯一确定，这样，测针底端被测点的三维坐标就可以精确地计算出来。 （图片） 光笔测量仪：适用于车间现场的便携式大尺寸坐标测量机迈卓诺光笔测量仪简单、轻便，却可以实现长达30m的精确测量。出色的隐藏点测量和多点同步测量能力，成为其独一无二的技术优势。迈卓诺光笔测量仪，是真正适合现场测量的新一代大尺寸便携式坐标测量机。该测量仪具有以下优点：
（1）便携性好，适合车间现场使用。整套设备（含电脑）装在一个长1m的拉杆箱内，总重不超过30kg。进行测量作业时，将相机放置在工件附近，连好电缆，打开电脑即可开始测量，不需要设备预热等准备工作。光笔重500g左右，非常轻便，而且与相机之间为无线连接，手持光笔，只要在相机视野里，就可以在任何位置进行采点。设备可以在0℃～ 45℃正常工作。
（2）大尺寸与高精度测量集于一身。作为一套基于摄影测量技术的光学坐标测量系统，光笔测量仪可以实现30m的大范围测量。采用专利的图象处理与相机校准技术，空间长度测量精度可达25μm，能够很好地满足大型工件的高精度检测要求。
（3）出色的隐藏点测量能力。光笔测量仪使用测针采点，虽然它是光学测量设备，但使用起来就是一台真正意义上的三坐标测量机，对于各种几何元素的测量比较容易。用户通过配备加长光笔，结合测针和加长杆，可以轻易测量600mm或更深的隐藏位置。
（4）独特的多点同步测量能力。除了使用光笔进行采点测量外，迈卓诺系统还有另外一种测量方式——直接测量分散、独立的LED光靶。将多个LED光靶用磁力或胶粘等手段固定在目标上，相机一次可以同时采集多个点的空间坐标。利用这一功能，可以实现六维测量、重复性测量、变形监控及动态坐标系下的测量等多种应用。
光笔测量仪的行业应用
作为一套轻便的大尺寸坐标测量系统，迈卓诺光笔测量仪首先被应用于汽车和航空制造领域，后来拓展到船舶、发电设备、工程机械等其他大型、重型制造行业。20多年来，已经拥有客户300多家，装机500多套，广泛应用于世界各知名企业中，并得到了一致认可，成为一种成熟的质量控制手段。
首先，Metronor光笔测量仪的技术特点很好地契合了现代航空制造的测量需求，在航空航天行业有着广泛的应用。大尺寸精确测量和出色的隐藏点测量能力，使得迈卓诺的测量系统在飞机零部件和工装的测量方面有着不可替代的作用。在波音公司，有数十套迈卓诺测量系统用于现场质量控制，测量任务包括现场钣金件测量，精铸件、锻件测量，机械加工件测量以及工装检测等等。利用迈卓诺测量系统，还可以完成一些特别的生产任务。例如，工件在加工设备上的精确定位；在加工设备上对工件实施在线实时测量。NASA（美国航空航天局）就采用了具有独一无二多点同步测量功能的迈卓诺系统；一直以来，航天器舱体的对接也都是借助迈卓诺的测量系统来完成的。
汽车制造业也是Metronor光笔测量仪主要的应用领域。凭借20年的成功应用经验，Metronor与汽车制造企业紧密合作，制定了一套基于光笔测量仪的完整而科学的检测流程，包括汽车制造业的各个环节：工装夹具测量、工装夹具的重复性检测、生产线的安装与调试、车身部件及整车测量、模具检测等等，在新车试制、车间现场测量方面发挥着重要作用。如何能又快又好地制造出符合设计要求的汽车，正是迈卓诺所追求的目标。正是基于这种与汽车制造厂一致的追求，迈卓诺的测量系统被各大汽车厂商所广泛采用，并得到了认同。在世界上几乎所有知名汽车制造厂的生产车间，都可以看到迈卓诺测量系统的身影。在国内，一汽、东风、上汽等也都采用了光笔测量仪作为现场测量的技术手段。
此外，迈卓诺测量系统还广泛应用于造船、工程机械，发电设备、机车与车辆等大型、重型制造行业。从几米大小的机车车辆转向架，到20多米的重型压力机部件的测量，直至长达几十米的风力发电机叶片的测量，都属于迈卓诺光笔测量仪的应用范畴。作为一套成熟的质量控制系统，迈卓诺测量系统被西门子、卡特彼乐、瓦锡兰、GE、VESTAS 等许多世界知名企业所采用。
用于飞机生产的典型案例
1 SAAB航空运用有效的灵巧加工理念赢得市场
瑞典是一个高成本的国家，但SAAB航空却能够持续赢得订单，目前，正在为空中客车和波音最新的项目提供复合材料零件。SAAB的Richard Lindqvist先生向我们展示了其中的一项核心技术，正是这项技术使其成为两大飞机制造商的首选供应商。
众所周知，因为尺寸大以及制造过程中所引入的变化量多，大型高精密复合零件的加工是非常具有挑战性的一项工作，过程控制非常严格。因此，为大型高精密复合零件制造工装是非常复杂且昂贵的，因为所用工装必须能够对工艺过程中的各种变量进行控制和补偿，如果不彻底解决将付出巨大代价。
我们以SAAB航空为空中客车公司生产方向舵的工艺来说明这个问题。方向舵两端都处于气流的包围中，因此铰链相对于2个表面的定位要十分精确，也就是说，用于钻孔的模块需要准确定位，精确拟合到舵的2个表面。制造这个工装是非常困难的，而且实现可追溯性和稳定的工艺过程实际上是不可能的。
2 巧妙地简化工艺
SAAB航空的解决方案看起来并不复杂：一套专属装置上唯一固定的工装是一个可重复装夹的简单夹具，只是为了保证方向舵能被夹持在一个固定位置，钻孔的模块是装置中单独的个体，与夹具之间没有机械连接。
这个装置如何工作呢?RichardLindqvist解释说：“装置的精度不是来自昂贵的工装，而是来自一套相对便宜的Metronor便携式测量系统。”Metronor是一套基于光学的便携式测量系统，使用无线的手持式光笔，采集数据的方式与传统的坐标测量系统类似，但是可以应对大尺寸的测量，运行平台是一台笔记本电脑，整套系统可装入一个拉杆箱中。全世界有300多个用户在使用Metronor的DUO和SOLO 系统，主要分布于航空和汽车工业。
Lindqvist补充说：“这个工艺过程的原理是非常简单的：首先，我们测量方向舵工件的几何尺寸，看其是否在标称的公差要求范围内；然后，我们用方向舵中重要的一些几何元素，进行坐标的最佳拟合对齐。只需要用Metronor测量系统简单测量几个元素，然后就可以进行坐标系对齐；最后，在有了方向舵工件实际尺寸的前提下，用测量系统定位钻孔模块的最佳位置，从而保证孔位的位置精度。即使材料和生产过程带来一些微小的变形，依然能够生产出最佳品质的产品，生产工艺也得到了飞机制造商的高度认可——而且不会生产出废品。”
3 灵巧制造（Smart Manufacturing）
这个生产装置是由SAAB航空独立研发的，效果非常明显。借助于这套装置，SAAB每天可为空中客车生产8架飞机所用的方向舵。波音的Dreamliner也在使用同样的方案。RichardLindqvist解释说：“这些装置证明了灵巧制造同精密制造一样重要。掌握了使用Metronor的经验以及系统所提供的测量方法，节省了制作复杂工装的时间和成本。这仅仅是SAAB航空运用Metronor测量系统提高竞争优势的一个案例而已。”
结束语
20年来，迈卓诺一直专注于摄影测量技术的研究，引领着光学大尺寸坐标测量技术的发展。相对于激光跟踪仪等其他测量手段，光笔测量仪具有一些独特的优势，如隐藏点的精确测量、多点同步测量功能等。近年来，迈卓诺新一代光笔测量仪成功地更换了生产平台，使用了更小、更轻的CCD相机，使之与测头和电脑组成的测量系统更加轻便，精度更高，成本也得到了显著降低，进而成为目前市场上最灵活、具有最优性价比的大尺寸坐标测量机产品。
由于更加轻便、更加精确，并具有更高的性价比，迈卓诺新一代光笔测量仪得到了越来越多客户的认可，在市场份额上获得了高速增长，成为了大型零部件的测量利器。迈卓诺光笔测量仪，开创了大尺寸精密测量的新纪元。
5/4/2010
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