ALPS大空间定位测量设备（HT-iGPS）

1.概述

现代智能制造的多品种、小批量和低成本快速研制等特点，推动了先进数字化工业测量设备在加工、制造和装配中的高度集成，零件的数控加工、精准成型和快速自动化装配对数字化测量技术的需求越来越迫切，数字化工业测量技术已成为工业4.0发展的关键环节。室内GPS（indoorGPS，iGPS）系统是一种具有高精度、高可靠性和高效率的测量系统，其借鉴了GPS测量原理，是目前最先进的一种激光测量技术，主要用于解决中大尺度室内外空间数字工业测量（DIM）难题。作为工业测控技术创新者，西安航通致力于数字化工业测量技术研究和设备研制，通过自主创新，实现了在超大尺寸范围内低成本、高精度、并行化的测量定位iGPS系统的成功开发，是目前国内唯一产品化的iGPS设备。西安航通的iGPS产品是一种模块化的大体积测量跟踪设备，可在大空间范围内定位多个目标，测量精度高。西安航通自成立以来一直参与iGPS的开发以及相关项目的应用研究。如今，在该技术领域已经构筑了一定的解决方案优势。iGPS设备目前已被航空、航天等工业制造部门单位采用。

iGPS测量系统主要应用于航空航天、国防以及其它制造装配相关行业，包括实时跟踪定位和在线检测应用。

2.系统特点

iGPS测量系统与GPS系统相类似，是针对工业应用研发的局域空间内的定位系统，用激光取代卫星，构建室内测量网络。

与传统测量设备相比，iGPS的优势在于：

模块化和灵活性：根据测量环境和被测部件的几何形状，可扩展发射机和接收器数量；

可靠性高：与传统的基于激光的测量设备不同，iGPS实现360°全方位覆盖，不受视线遮挡限制，即使部分发射机被挡住同样可以得到精确的测量结果；

传统测量设备精度随距离增加而降低，而iGPS整个测量场内具有统一的测量精度，测量不确定度±200μm；

多用户并行测量；

自动搜索目标，无需人工对准；

3.主要组成部分

3.1发射机

iGPS发射机是高精度的旋转激光经纬仪，可以安装在墙壁或便携式三脚架上。工作时发出两个扇形激光平面，在电机驱动下以40到50Hz的频率对空间进行360°扫描。

3.2接收器

接收器安装在待测部件上，接收发射机信号，并将激光信号转化为角度数据，通过无线发送到工作站。

3.3工作站

该工作站托管第三方软件，其中包含系统所有配置，该软件持续监测系统状态和性能。提供发射机具体位置关系，同时接收接收器的角度数据，并转化为空间XYZ坐标。

4.技术原理

每台发射机发出3个光信号：

2个扇形激光平面，对空间进行360°扫描，两个激光信号的间隔时间确定目标的垂直位置（俯仰角）；

1个LED脉冲信号，每旋转一周发射一次，LED脉冲和两个激光信号中点的间隔时间确定目标的水平位置（方位角）；

根据角度前方交会原理，由多条空间直线确定目标的空间三维坐标（至少2台发射机）。

增加发射机数量有助于提高系统可靠性和系统定位精度。

发射机位置标定精度影响系统定位精度，因此在使用前要对系统进行精确标定，一种方法采用校准的标定杆快速标定；另一种方法采用标定好的参考点网络，发射机根据参考点的位置关系计算其相对位置。

5. iGPS的典型应用

5.1跟踪

iGPS系统直接集成到生产线或装配线中，是动态跟踪和大尺寸零部件装配的理想工具。

拖船应用中的船模动态跟踪

船模装有iGPS接收器，实时监控其运动轨迹

跟踪和监测工业机器人

接收器嵌入机器人固定装置内，单个iGPS测量网络可在车间范围内监控多个机器人。

大型零部件装配

机身和机翼分别装有iGPS接收器，跟踪其位置和方向，并精确装配。

5.2定位

iGPS系统可实现任意零部件的6自由度定位，从而提高制造装配能力和产品质量，比如钻铆定位、机器人导引定位等。

紧固件和焊缝间隙测量

飞机镀层厚度测量

5.3在线检测

飞机机身检测

车身检测

大型汽轮机铸件检测

6.iGPS大尺寸测量系统应用于韩国造船业—三维测量技术助其解决重大难题

由于市场对能源需求的日益增长，近几年，全球造船市场对高附加值的船舶需求量增长迅速，如集装箱船只、原油运输船只、化学油轮以及天然气船只等。根据国际造船业权威咨询机构英国Clarkson数据显示，截至2006年,韩国造船企业的造船订单占全球造船市场的42%，共计1390万修正总吨(CGT))。面对如此大好形势，造船企业不断寻找新想法、新概念以及新工具来改造船只生产线，以此突破传统造船方法的束缚。与此同时，自2005年以来,新型的大尺寸测量仪器发展迅速，这些仪器逐渐克服了室内外灰尘,烟雾和气体等不利测量因素，为造船企业提供了一个取代传统测量方式的重要途径，可适应日益集成化的工作和研发任务。新型测量方案的应用，其回报往往是巨大的，这种回报不仅是利润上的，同样是产品质量上的。而对于客户而言，同样看重的也不仅仅是产品的价格，同样重视产品的质量和可靠性。比如说在两年前的特里娜飓风中，那些原油钻井船和石油开采平台之所以能够抵抗如此大的破坏，全依赖于他们建造时的质量保证。

当今,造船技术将从低科技含量或者劳动密集型产业逐渐转变成高科技领域。在造船业里，实现以iGPS作为大尺寸测量系统的应用实例和创新性解决方案。

6.1韩国的造船业

目前，建造船只还属于一个劳动密集型的生产过程,其整个过程主要依靠人工完成。前几年,相比世界其他地区，日本的劳动力成本极其的昂贵，因此，他们在不断的寻找替代方案,以期在这个整个过程中,更好的把控生产成本。相对而言，韩国具有更为合理的劳动力成本和质量更好的货源，所以，截至2006年，韩国已有的CGT 总订单量已经接近40万吨，接近全球造船市场的42%,如下表所示。该表总结了主要造船企业的产能情况与所占份额。

在特种船舶和液化天然气油轮建造领域，韩国造船企业占据着全世界34.5%总份额。对于韩国来说，去除糟粕，推动创新对成为造船业龙头有着重大意义。在造船过程中，码头是一个“必须”的设施。它的建造需要大量的土地资源,以及金钱和人力投入，因此，如何在有限的资源下，生产更多的船只是解决问题的关键所在。新的“dock-less”的概念,如“浮动码头”，以及实现该方案所需的相关核心技术，使韩国在造船业建立起了世界领先地位。

如上图所示,自2000年以来，造船市场不断扩大。在过去二十年里,伴随着许多发展中国家能源需求的增加，建造船只的数量也在不断的增长。截至2006年,韩国的总造船能力超过了日本和欧洲其他国家,见下表所示。

6.2船舶建造流程

一般情况下，造船可以被分解如下表所示的过程。其建造流程一般从大型结构件所需的钢板结构开始，主要由小型装配，中型装配以及大型装配等三个主要总装步骤构成。而最终装配被称之为巨型总段装配。

以天然气船LNG为例，LNG船由巨型总段组成,将各总段相互连接,最后形成完整的船体,如下图所示。

6.3应用和实现

当前的造船流程可以借助现代测量技术进行改进。在造船过程中，许多过程都是相互关联的，如果着眼于单个环节的时间控制并不能节省总的造船耗时。倘若其中一个或多个环节没有准备好,其他所有进程必须暂停,直到每一个准备工作就绪才能开始装配。因此，减少某一个建造环节的时间对造船整体耗时而言是没有太大意义的。最为理想的解决方案是将各实施环节进行总体装配，多进程并行实施。

造船企业三星重工选择室内GPS(iGPS)系统作为大尺寸测量系统，并将其在钢板成型工序中实施起步应用，用于钢板的三维轮廓处理和成型。这些钢板大都是宽为1米到10米，长为1米至30米的大型结构件。

钢板成型是一个完全手动过程。在这个过程中，大功率手持喷枪用于成型，使用水枪进行工件冷却，使用钢卷尺或者经纬仪来进行二维的长度测量。整个过程通常需要花四个小时来收集和处理数据。

在这个过程中，需要高度依赖于工人的技能和专业知识才能生成正确的形状和轮廓。传统测试方法其主要的限制是无法产生三维数据并提供实时分析。所有的测量以及分析都是在二维空间里进行的：例如长度或者距离。而对于三维测量，传统的方式是在钢板的每个连接部分使用木质标准夹具去测量轮廓的形状。这种方法极易对正在加工或者加工完成工件造成精度损失、时间损失以及造成半集成化装配过程中的工作重复，从而极大的影响了整体效率。

在这个过程中，每个环节的工作环境差异是很大的，在某些情况下,员工必须穿内置空气循环的重型防护装备来保持一个稳定的体温,防止金属碎片的飞溅。测量仪器必须能够在极端条件下工作，例如光(电弧)焊接过程的金属粒子,烟雾,热集中等恶劣条件，因此可供选择的精密仪器有限。然而，iGPS 测量系统则能在恶劣条件下的满足所有的测量要求。

在这个过程中，钢板曲面和轮廓加工是核心任务之一，直接影响着最终产品的质量。一艘船由几千块板块组成，通常，检查方法主要是将3-D表面（或轮廓）与CAD标准表面模型进行对比，并对切割线的位置进行标记。所有这些方法的精度要求都小于几毫米。下图显示了部件的典型形状。

iGPS发射机可以覆盖测量空间的任一区域。其中，发射器的数量可以根据所需的精度要求和环境条件变化而改变。典型的工作范围是在100m ×400m的空间区域内，其测量距离为50-100m。一般情况，在确定了特定的测量任务单元之后，根据实际工况排布发射机位置，从而达到冗余测量目的。在操作iGPS 测量系统时候，不需要训练有素的专业技术人员，操作人员只需要接受简单的培训即可。

根据测量要求的类型不同，iGPS可以提供灵活解决方案；根据实际应用环境，可选择固定接收器、手持接收器或者不同类型接收器的组合。

一旦所有需要装配的小零件都准备就绪，每一个工件将被对齐，并将其焊接到中间装配体上。在保证装配工艺的情况下，组装的部件将越来越大，有的部件的重量甚至可以超过200吨。所以需要借助特别设计的起重机和安全系统来移动和调整两个或两个以上的大型装配零件。由于尺寸长度和其他操作相关限制（即振动，可见度或视线等环境问题），即便有高科技辅助，完成两个大部件的连接亦非易事。最终过程称为分段总装，如下图所示。

测量的关键任务包括水平尺寸以及两个组装部分之间的间隙和垂直度的测量。造船过程与许多其他过程相互关联构成网状网络。任何精密仪器的安装和维护都是其关键因素，所以在初始的适应和实施过程中，需要设计和制造专门针对造船应用（即传感器，接收器等）的仪器部件。

6.4使用iGPS测量系统的优点

iGPS大尺寸测量系统在造船业的应用方案和改进应用流程，经过多年的验证，其有效性已显露无疑。根据船舶的大小，完成船舶整体建造所需的平均时间约为五天左右，考虑到造船过程的复杂性和庞大性，这是一个巨大的显著的进步。

选择一种大尺寸测量系统需要考虑各种因素，iGPS系统具有以下优点：

1、操作方便：专为非测量技术人员设计

该系统在设计的时候，应面向是只有少许测量经验的操作员。这样一来，客户就不需要高度专业化的操作员来使用该系统。与其他系统相比，这也意味着所选定的大尺寸测量系统具有较低的培训和操作成本。

2、测量速度：一键单击实时采集数据

该系统的操作员可以简单地将测量头放在待测点上，点击保存按钮或触发器来实时收集3-D数据点。同时，用户可以对被测点位置进行反馈。

3、无移动或着跳跃：用单一设置即可覆盖整个对象

该系统用单一设置可覆盖整个测量对象。此外，任何跳跃性测量都将显着降低准确性。理想情况下，大尺寸测量不需要用户移动任何东西，这样会大大提高数据采集的速度和准确性。

4、固定安装：始终打开，无需再次设置

安装在固定位置时，选定的大尺寸测量方案始终开启，无需设置。用户只需选择测量探头即可开始采集数据。大多数其他测量系统需要大量的设置时间， 仪器必须进行物理设置，测量物件进行准备工作，仪器需要预热等等。

5、用户无添加限制：添加操作员方法简单

所选定的大尺寸测量系统，在相同的发射机下，支持不限数量的的用户或接收器，客户可以轻松添加操作员来解决工作难题，加快了数据收集过程。

6、大尺寸、高精度：在50m以内精度可达0.2mm

7、坚固耐用，对环境因素不敏感

所选择的大尺寸测量方案可以在室内外各种环境条件下使用。该系统具有防尘防雨、满足典型高低温施工环境。

8、灵活和可扩展

根据应用，所选择的组件（即发射机和接收机）可以组成不同的系统或者组合。 客户可以固定安装四个发射机，另外携带两个便携式发射机。便携式发射机可以在特定安装条件中使用，在使用时，将其放置在临时三脚架上，或者将其带到现场。此外，接收机可以与任一组发射机一起使用。客户还可以随时添加额外的发射机和接收器来扩展整个系统的功能。

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