逆向工程测量技术综述

逆向工程测量技术综述（精选十篇）

逆向工程测量技术综述 篇1

逆向工程系统可分为三大模块:产品实物集合外形的数字化、数据处理与CAD模型重建、产品模型与模具的成型制造。数据测量, 即产品表面数字化, 是逆向工程中最基本、最不可缺少的步骤。因而, 高效、高精度的实现样件表面的数据采集, 是逆向工程实现的基础和关键技术之一。

1 逆向工程测量技术的分类

根据测量时测量头是否和零件接触, 可按其测量方式分两大类。

1) 接触式测量:测量时测量针头测量时和零件接触取得数据。根据使用的测头不同, 又可分为触发式和连续式。当采样头的探针刚好接触到模型表面时, 探针尖的微小移动便会触发采样头中的开关, 使数据采集系统记下探针尖 (测球中心点) 的当时坐标值, 这样逐点移动, 就采集了一个轮廓的坐标数据, 这就是触发式数据采集。而连续式数据采集采用模拟量采样头。

2) 非接触式测量:主要是利用光学、声学、磁学等领域中的基本原理, 将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同, 可分为激光三角形法、激光干涉法、激光衍射法、结构光法、计算机视觉法、超声波法和层析法、CT测量法、MRI测量法等[2]。

2 各种测量技术的基本原理

1) 三坐标测量机

三坐标测量机 (CMM) 是最常用的接触式测量系统, 由三个相互垂直的测量轴和各自长度测量系统组成的机械主体, 结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统等构成坐标测量系统的主要系统元件, 测量时把被测件置于测量机的测量空间中, 通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点的瞄准, 当瞄准实现时测头即发出读数信号, 通过测量系统就可得到被测点的几何坐标值, 根据这些点的空间坐标值, 经过数学运算求出待测的几何尺寸和相互位置关系[3]。

2) 关节臂测量机

关节臂式测量机是三坐标测量机的一种特殊机型, 包括6轴测量机和7轴测量机两种。关节臂的工作原理主要是设备在空间旋转时, 同时从多个角度编码获取角度数据, 设备臂长为一定值, 这样计算机就可以根据三角函数换算出测头当前位置, 从而转化为XYZ的形式[4]。

3) 激光三角法测量技术

激光三角法激是目前最成熟, 也是应用最广泛的一种主动视觉方法。它根据光学三角形测量原理, 利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原理是:利用具有规则几何形状的激光, 投射到被测量表面上, 形成的漫反射 (光带) 的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸收, 根据光点 (光带) 在物体上成像的偏移, 通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系, 按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标[2]。

4) 基于光栅投影的结构光三维测量技术

投影光栅测量技术是一类主动式全场三角测量技术, 通常采用普通自光将正弦光栅或知形光栅投影于被测物面上, 根据CCD摄取变形光栅图像, 根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化, 可解算出被测物面的空间坐标, 这类测量方法具有很高的测量速度和较高的精度, 是近年发展起来的一类较好的三维传感技术。

5) 立体视觉测量技术

立体视觉是模仿生物视觉系统, 通过位于不同视角的摄像机同时摄取被测物体图像, 获取空间点的三维坐标。立体视觉测量通常分为三类:双目视觉测量、三目视觉测量和多目视觉测量, 其中双目立体视觉直接模拟人类双眼获悉场景信息的方式, 是立体视觉最常用的实现方式[6]。典型的立体视觉过程包括五个主要部分: (1) 建立成像模型; (2) 提取特征; (3) 特征匹配; (4) 视差和深度计算; (5) 深度信息内插[7]。

立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了将具有空间编码的结构光投射到被测工程表面, 制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题, 但在测量精度与测量点的数量上仍需改进[5]。

6) 计算机断层扫描 (CT) 技术

计算机断层扫描 (CT) 技术最具代表的是基于X射线的CT扫描机, 它是以测量物体对X射线的衰减系数为基础, 用数学方法经过计算机处理而重建断层图像, 这种方法最早是应用于医疗领域, 目前己经广泛用于工程测量领域, 即称为“工程CT”对中空物体的无损三维测量, 这种方法是目前较先进的非接触式检测方法, 它可对被测工程的内部形状、壁厚、材料, 尤其是内部构造进行测量, 该方法同样能够获得被测工程内表面数据, 且不破坏工程结构。但它存在造价高, 测量系统的空间分辨率低, 获取数据时间长, 设备体积大等缺点[5]。

7) 逐层切削照相测量

逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术。它以极小的厚度去逐层切削实物 (最小可达±0.01mm) , 并对每一断层进行照相, 获取截面图像数据, 其测量精度达±0.02mm, 是目前断层测量精度最高的方法, 且成本低, 与工业CT相比, 价格便宜70%~80%, 但它的致命缺点是破坏了零件。从发展趋势看, 工业CT和逐层切削照相测量将占逆向工程测量方法的主导地位, 应用范围也会越来越广泛[3]。

8) 近景摄影测量

摄影测量是测绘学的分支学科, 通过对光学摄影机摄取的二维影像进行处理和分析, 测定被测物体在三维空间的形状、大小、位置乃至物体的运动轨迹。近景摄影测量是摄影测量的一个分支, 主要在近距离范围内摄取场景的二维图像来恢复其三维信息。该方法通常采用一个手持数码摄像机在多个不同视角对场景进行自由拍摄获取一系列场景图像, 采用某种图像特征检测技术, 将场景中一些空间特征点在多幅图像中的投影点分别对应;然后结合多视几何理论, 利用这些对应投影点的图像坐标反求出不同拍摄视角下摄像机的相对位置和姿态 (简称位姿) , 并利用已知空间距离恢复度量信息;最后根据解算出的对应各幅图像的摄像机空间位姿, 由图像间的特征匹配对重建场景中相应点的三维坐标[6]。

9) 其它测量技术原理简介及特点

成像雷达法:成像雷达发的测量原理基于飞行时间法, 特点是再大范围内仍可保持较高的精度, 但测量速度慢, 且造价高。全息干涉测量:利用全息技术产生干涉条纹, 并由干涉条纹完成物体表面深度测量。干涉测量对测量环境的要求较高, 系统测量稳定性易受到光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响。超声波法:其原理是当超声波脉冲到达被测物体时, 在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射, 通过测量回波与零点脉冲的时间间隔, 计算出各面到零点的距离的方法。这种方法结构较为简单, 但测速较慢, 而且测量易受物体材料及表面特性的影响。总体上来说, 这些技术对被测物表面以及光照等先验知识要求较多, 处理条件严格受限, 而且精度相对较低[7]。

3 结束语

每种测量技术都有其优缺点, 现代逆向工程测量技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术相融合, 是实现被测工程整体测量和数据拼接的有效方法, 其使用将越来越广泛。

摘要：高效、高精度的实现样件表面的数据采集, 是逆向工程测量最关键的技术之一, 逆向工程中广泛应用接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术获取实物数据。不同原理的测量技术有不同的特点。

关键词：逆向工程,接触式工程测量,非接触式工程测量

参考文献

[1]李青蒙.激光扫描点云处理技术研究:硕士学位论文[J].大连:大连海事大学, 2013.

[2]王霄, 刘会霞, 梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2004:5-22.

[3]刘伟军, 孙玉文.逆向工程:原理、方法及应用[M].北京:机械工业出版社, 2008:6-21

[4]成思源, 洪树彬, 杨雪荣.逆向工程技术综合实践[M].北京:电子工业出版社, 2010:6-69.

[5]张自有.逆向工程测量技术研究[M].价值工程, 2010, 18:52.

[6]石春琴.随机光照双目立体测量系统中的若干关键问题研究:博士学位论文[J].南京:南京航空航天大学, 2011.2-6.

逆向工程测量技术综述 篇2

关于数字散斑相关技术在工程测量中的运用的文献综述

数字散斑相关方法(DSCM)，是起源于20世纪80年代初的一种光学测量方法，是对全场位移和应变进行量化分析的一种光测实验力学方法，其基理是通过分析试件变形前后表面散斑图的变化，来获得位移和应变场。与传统的光测方法相比，数字散斑相关方法具有如下优点:光路简单，不需要特殊的光学仪器，可以使用白光做光源:对测试环境要求低，受外界影响小，便于实现工程现场应用；测量范围和灵敏度可以自由变化，可以适用于从微观到宏观、从大变形到微变形的测量；具有非接触性、无损测试的特点；数据处理自动化程度高。但是目前的DSCM方法在位移、应变测量精度以及数据处理速度上还存在许多不足，在一些工程测量应用中受到限制。另外，大部分的科研人员选择MATLAB或面向过程语言Fortran、C等编写相关计算程序，并且由于没有足够的软件开发经验，因此所开发出的程序可读性差、难以移植、难以维护和扩展，使得他们的成果不能很好的被重复利用。

测量工程测量技术发展探讨 篇3

关键词：测量工程；测量技术；发展

近几年来，在社会经济快速发展的背景下，各类技术逐渐发展起来。技术的快速发展为测量工程提供了保证。如果测量技术不够先进，这会影响到测量工程的测量质量。因此我国要不断改进测量技术，以此来更好的适应社会的发展要求。

一、工程测量学的内容

一般按照服务对象可以将工程测量分为以下几个部分：水利工程建设、桥梁、铁路公路等。站在工程建设的立场来讲，每一个测量工程都是由规划设计、建筑施工、经营管理这三个部分组成的。然而每一个阶段中都包含着与工程测量有关的内容。

1、做好规划工作。在工程没有开工之前，就要做好规划、设计工作。在规划的时候，往往要将施工场地的具体形式、面积大小来作为依据。同时在规划设计中要巧妙运用工程测量技术，以此来了解施工场地的地质情况，并且也能够保证所得出的数据具有真实性。

2、现场施工。当完成设计、审查等工作之后就要正式进入到施工中。在整个施工过程中，往往要严格按照以前所设计好的图纸来构造建筑物。但是需要注意的是，施工人员在施工过程中要考虑到定线放样、施工现场的地形等问题，在解决这些问题时往往会用到相关的技术。

3、经营管理。在工程施工过程中，为了减少一些质量问题，这就要制定合理的监管措施，如果未能及时解决工程施工中存在的问题，这些问题会影响到工程进度。

二、工程测量的重要性

在建筑施工中经常会用到工程测量技术，该技术不仅可以满足建筑施工的多项要求，还可以确保整个工程的顺利完工。然而在运用工程测量技术时，往往要进一步研究、完善这些技术。

1、提供的资料具有准确性。在工程施工之前，要做好设计工作。然而设计工作的开展往往要借助图纸资料等信息，这样做既可以科学的布置现场，又可以将机械设备运用到实处。在工程测量过程中，测量人员要准确无误的将测量结果记录下来，便于为日后工程提供可靠的资料。

2、确保定位具有精准性。在建筑工程中，建筑物的精准度是非常重要的。只有保证了建筑物的精准度，才可以提高工程的施工效果。在平时的测量过程中，测量人员要确定建筑的定位精度，以此来保证工程的施工质量。

3、竣工验收程序。当完成施工之后这就表明整个工程正式完工，但是在完工之后要做好竣工测量工作。竣工测量报告要将实际的工程测量作为依据，這样做既可以确保所拟定的内容与工程标准相符合，还可以为规划管理部门提供参考依据。

三、工程测量技术的发展

在科学技术快速发展的背景下，工程测量技术也要得到完善。近几年来，工程测量技术开始向着智能化、自动化的方向发展，以此来加快建筑行业的发展步伐。

l、测量机器人。人为测量的范围较为有限，再加上人为测量所涉及到的领域是非常狭窄的，这就会影响到大范围的工程测量。近几年来，美国等国家研发出了机器人。在不久的将来，机器人会代替人类来完成测量工作，这样做不仅安全，还可以为人类节省大量的时间。

2、信息系统。如果建筑工程的施工范围较广，那么就要运用到计算机技术。在使用计算机时，往往要构建完整的信息系统，以此来顺利解决建筑工程施工中遇到的问题。在运用信息系统时要与地球物理、水文地质等有机结合起来，以此达到保护环境的目的。城市与工程测量最主要的内容就是测绘大比例尺地形图、工程图。通常情况下，成图方法需要脑力与体力的结合，再加上成图周期较长、产品类型较为单一，从而无法满足现代化工程建设的各种需要。当电子经纬仪、全站仪、GEOMAP等呈现在大众面前时，此时野外数据采集的设备与微机、数控绘图仪有机的结合起来，最终形成了集数据采集、处理于一身的系统。在开发研究系统时，往往要将工程地形图、纵横断面图等作为对象。系统既可以提供纸图，又可以提供软盘，从而为基础地理信息系统的发展奠定了坚实的基础。

3、新型技术。在工程项目中要广泛运用GPS、GIS技术，然而这些技术具有一个明显的特点，那就是测量精准。第一，GPS技术。自从上个世纪八十年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。当前经常用到的一种地面定位技术是以测角、测距以及测水准为主体的。然而在科学技术快速发展的背景下，三维坐标的GPS技术开始取代了该技术。与此同时定位范围也在日益扩大，即：从陆地扩展到海洋；定位方法也在发生了明显的变化，即：从静态向着动态的方向转变；定位服务领域也发生了深刻的变化，即：从导航领域、测绘领域扩展到经济领域。当前各行各业都开始运用GPS定位技术，不管是在构建工程控制网时，还是在构建国家大地网时都开始利用该技术。在监测建筑变形、山体滑坡、地震的形变时，GPS技术具有非常广阔的应用范围。在DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统快速发展的背景下，单点定位精度得到了明显的提升。在导航、定位石油物探点、测量地质勘查剖面中，GPS技术非常广阔的发展前景。第二，数字化测绘技术。从二十世纪八十年代以来，我国加快了研究数字化测绘技术的步伐，并且也取得明显的效果。但是由于技术标准、规范不同，因此国外所研发的数字化测绘技术无法满足我国的发展需求。我国只有依靠自身的研究来加快发展数字化测绘技术，在发展数字化测绘技术的同时要将这些技术运用到一些试点单位，然后在实践过程中来不断完善数字化测绘技术。我国不能盲目的引进西方国家的数字化测绘技术，如果盲目的引进西方国家的测绘技术，那么并不能真正发挥该技术的作用，也不能推动我国地质工程的长远发展。

四、结论

工程测量技术的广泛使用各类建筑工程创造了很好的工程条件，不仅仅是建筑施工过程中需要运用工程测量，在其他各个环节中也要借助于工程测量技术才能得到较好的结果。工程测量技术具有非常广阔的应用范围，如果仅仅将其范围固定在建筑工程上也是不合理的，而是要扩大其使用范围，不断完善此项技术。

工程测量技术发展与应用综述 篇4

1 工程测量的定义

1.1 学科地位

测绘科学和技术是一门具有悠久历史和现代发展的一级学科。该学科无论怎样发展, 服务领域怎样拓宽, 与其他学科的交叉无论怎样增多或加强, 学科无论出现怎样的综合和细分, 学科名称无论怎样改变, 学科本质和特点都不会转变, 总的来说, 整个学科的二级学科仍应作如下划分。大地测量学 (包括天文、几何、物理、卫星和海洋大地测量) 、工程测量学 (包括景摄影测量和矿山测量) 、航空摄影测量与遥感学、地图制图学、不动产地籍与土地整理。

1.2 研究应用领域

目前, 国内把工程建设有关的工程测量按勘测设施, 施工建设和运行管理三个阶段划分, 也有按行业划分为:X-路工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量, 海洋工程测量、军事工程测量、三维工业测量等, 几乎每一行业和工程测量都有相应的著书或教材。

2 工程测量仪器的发展

工程测量仪器可以分为通用仪器和专用仪器。通过仪器中常规的光学经纬仪, 光学水准仪的电磁波测距仪将逐渐被电子全测仪, 电子水准仪所替代, 电脑型全站仪配合丰富的软件, 向全能型和智能化方向发展。带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光, 通讯及CCD技术, 可实现测量的全自动化, 被称作“测量机器人”, 测量机器人可自动寻找并精确照准目标。在IS内完成一目标点的观测, 像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测。可广泛用于变形监测和施工测量。GPS接收机已逐渐成为一种通用的定位食品在工程测量中得到广泛应用。将GPS接收机与电子全站仪或测量机器人连接在一起, 称超全站仪或超测量机器人, 它将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标技术完美结合, 可实现无控制网的各种工程测量。

3 工程测量技术发展进程及成就

3.1 先进的地面测量食品在工程测量中的应用

20世纪80年代以来出现许多先进的地面测量仪器为工程测量提供了先进的技术工具和手段。如光电测距仪、电子经纬仪、全站仪等, 为工程测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了有利的条件。改变了传统的工程控制网布网、地形测量、道路测量和施工测量等的作业方法。

3.2 三维工业测量技术的兴起和应用

20世纪80年代以来, 随着高新技术的发展, 三维工业测量系统是以电子经纬仪或近景摄影仪为传感器在电子计算机的支持下面形成的三维测量系统: (1) 汽车、飞机、造船工业及空莘技术等方面设计, 试验, 制造, 组装过程中的测量和定位; (2) 工业用机器人的检测; (3) 卫星接收天线安装和维护的精度检测; (4) 生产自动化过程, 生产过程控制, 生产质量检验与检测的动态测量; (5) 负荷试验中变形与应变测定; (6) 栏水与喧坡稳定性的检测等。

4 GPS定位技术在工程测量中的应用

在GPS定位技术的应用已深入到各个领域, 国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改选已普遍地应用GPS技术, 在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地质勘察剖面测量、碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景。

(1) 建立工程控制网。工程控制网是工程建设管理和维护的基础。其网型和精度要求与工程项目的性质, 规模密切相关, 一般地工程控制网覆盖面积小, 点位密度大, 精度要求高, 用常规的方法多采用边角网。 (2) 采用GPS定位的方法建立工程控制网。具有点位选择限制少, 作业时间短, 成果精度高, 工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网、变形监测控制网、工矿施工控制网、工程勘探、施工控制网、隧道等地下控制网等。应用GPS技术建立控制网, 通常采用载波和相位静态差分技术, 以保证达到毫米精度, 应用GPS技术建立道路勘探, 施工控制风和隧道工程控制网等具有显著的优势。

5 区域差分网下的碎部测量与放样

(1) 区域性GPS差分系统下的碎部测量与放样, 是基于区域GPS差分网进行的, 区域差分与RTK单基点载波相位差分的原理相似, 不同的是区域差分的基准站往往多于1个, 多基准站组成基准网, 基准网提供各个基准站的差分信息, 用户接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权, 排非等权平差后形成自己的差分改正数, 实现差分定位。

(2) 变形监测。变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物, 构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大, 监测环境复杂, 监测技术要求高, 常规的监测技术是应用水准测量的方法, 监测地基的沉降, 应用三角测量的方法, 监测地基的位移和整体的倾斜, GPS技术在该领域有广泛的应用。

6 数字化技术在工程测量中的应用

(1) 地图数字化技术。在建立各种GIS系统时, 对原有地图进行数字化处理, 在建库工作中占据了相当大的工作量, 各工程测绘部门都投入了相当大的人力和财力。对于已有纸制地图, 若其现势性, 精度和比例尺都满足要求, 就可以利用数字化仪将其输入计算机, 经编辑, 修补后生成相应的数字地图, 当前有手扶跟踪数字化和扫描天量化两大类仪器, 针对大比例尺地形图, 大多数扫描矢量化软件能自动提取多边形信息, 高效, 便捷, 保真的对地图进行数字化处理。

(2) 数字化成图手段。大比例尺地图和工程图的测绘是传统工程测量的重要内容, 常规的成图方法野外工作量大, 作业艰苦, 作业程序复杂, 同时还有繁琐的内业数据处理和绘图工作, 成图周期长, 产品单一, 难以适应社会飞速发展的需要。而数字化成图技术具有精度高, 劳动强度小, 更新方便, 便于保存及应用, 易于发布等特点。目前, 数字化成图技术有内外业一体化和电子平板两种模式, 内外业一体化是一种外业数据采集方法, 主要设备是全站仪、电子手簿等, 其特点是精度高, 内外业分工明确, 便于人员分配, 从而具有较高的成图效率。

7 工程测量学的发展展望

随着经济社会的发展进步, 工程测量学在以下方面将得到显著发展: (1) 测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展。其应用范围将进一步扩大。影像, 图形和数据处理方面的能力进一步增强。 (2) 在变形观测数据处理和大型工程建设中, 将发展基于知识的信息系统, 并进一步与大筑学学科相结合, 解决工程建设中以及运行期间的安全监测, 灾害防治和环境保护的各种问题。 (3) 工程测量将从土木工程测量三级工业测量扩展到人体科学测量, 如人体各器官或部位的显微测量和显微图像处理。

8 结束语

工程测量学是研究地球空间中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。她始终与同时代测绘科学技术和工程建设的发展相同步。对新技术的需求越来越多, 对工程测量也提出了更高的要求, 我们要大力促进工程测量的技术方法与手段的更新换代, 积极推动新技术的推广和应用。

摘要：本文介绍了测量的定义, 先进的地面测量仪器在工程测量中的发展。三维工业测量技术的兴起到应用, GPS定位技术在工程测量中的应用及展望。

关键词：工程测量,技术发展,现状,应用,综述

参考文献

[1]潘正风.工程测量技术发展现状[C]//现代工程测量技术发展与应用研究交流会论文集.宁波, 2005.

[2]张正禄.工程测量学的研究发展方向[J].现代测绘, 2003.

工程测量技术专业介绍 篇5

本专业实践环节完善，有地形测量实习、数字测图实习、计算机制图综练、线路测量实习、摄影测量实习、地籍测量实习、GPS测量实习、施工测量实习、矿山测量实习、工程测量实习、生产性实习、顶岗实习。实习实训设备齐全，有水准仪、经纬仪、全站仪、墨线仪、罗盘指向仪、垂直定向仪、动态GPS等设备

充分利用校内实训资源的同时，还积极与企业联系，建立校外实习实训基地7个：义棠煤业公司、灵石煤矿公司、段王煤化公司、中国煤炭博物馆、山西省物探测绘院、晋中煤炭规划设计研究院、太原易仁勘测公司。

工程测量技术专业具有50余年的办学历史，为水利水电、测绘、交通等行业培养出了大批优秀测量人才，在职业教育方面积累了丰富的办学经验和管理经验。2002年被国家确定为教学改革试点专业，2004年顺利通过验收，并被河南省命名为河南省示范专业。2006年被国家教育部确定为首批28所高职高专示范性建设院校中唯一一个

测绘类示范建设专业。该专业下设工程测量和地籍测量与土地管理两个专业方向。其毕业生遍布祖国的大江南北，蜚声海内外。

一、培养目标：

工程测量技术专业紧紧围绕高职高专人才培养目标，立足河南、面向全国，培养德、智、体、美等全面发展，掌握测量基本理论和基本技能，能够从事各种工程测量、地籍测量生产、管理和服务第一线工作的高技能人才。学生毕业时除获取学历证书外，还必须获取至少一种由国家颁发的职业技能鉴定证书。

二、主要课程：

工程测量技术专业的核心课程和证书课程有：数字地形测量、控制测量、勘测规划测量、工程施工测量、工程变形监测、地籍测量、土地管理和GPS测量。

三、主要实践环节：

地形测量实习、数字测图实习、计算机制图综练、线路测量实习、摄影测量实习、地籍测量实习、GPS测量实习、施工测量实习、工程测量实习、生产性实习、顶岗实践或毕业设计。

四、就业方向：

毕业生面向测绘、水利水电、城建、道路、桥梁、工业与民用建筑、土地管理等部门，从事测量工程的设计、施工和组织管理工作。

工程测量技术的发展趋势

展望 21 世纪,工程测量将在以下方面将得到显著发展:

测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展,其应用范围将进一步扩大,影像、图形和数据处理方面的能力进一步增强。

在变形观测数据处理和大型工程建设中,将发展基于知识的信息系统,并进一步与大地测量、地球物理、工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合,解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题。

大型复杂结构建筑、设备的三维测量,几何重构及质量控制,以及由于现代工业生产对自动化流程,生产过程控制,产品质量检验与监控的数据与定位要求越来越高,将促使三维业测量技术的进一步发展。工程测量将从土木工程测量、三维工业测量扩展到人体科学测量。

多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用,如 GPS 接收机与电子全站仪或测量机器人集成,可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作。

GPS、GIS 技术将紧密结合工程项目,在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。

逆向工程测量技术综述 篇6

关键词：数据自动化采集,外业测量,数字化成图,控制网

1 工程概况及施工测量概述

漫湾水电站位于云南省云县和景东县交界的澜沧江中游河段上, 距昆明公路里程461 km, 是澜沧江中下游河段梯级规划推荐的两库八级开发方案中的第三个梯级, 是澜沧江第一个开发的大Ⅰ型工程。水库回水与上游小湾水电站衔接, 电站下游与大朝山水电站水库相连。漫湾二期地下厂房装机容量为1×300 MW。

2 原始地形测量

原始地形是工程细部施工组织设计的重要依据, 同时也是工程量计算的原始依据。施工区原始地形测绘主要根据工程施工范围, 在各单项工程开工前按规范要求测图, 数据采集分层进行, 先采集主要地物, 如:1#洞、3#洞、电梯间交通洞、排风洞、尾水出口段洞门原始地形图, 后采集次要地物。在数据采集过程中严格按图式符号的定位点进行采集, 根据点号现场绘制草图。测图点位中误差相对邻近控制点不应超过图上±0.1 mm;高程中误差不应超过测图基本等高距的±1/10;地形点的间距根据地形、地物变化的复杂程度确定, 一般为图上1～3 cm。采用全站仪极坐标法测量地形散点, 视线长控制在500 m以内, 全站仪的测边测角精度足以保证测点的精度。整个测量过程采集的原始数据均采用自动记录, 数据保存在仪器的内存中, 避免了人工记录错误;外业测量资料除输入图根点、测站点名等相关数据资料外, 详细记录地形特征点、重要的地物、地类界、通讯线等点的点号或简易编码, 以备内业成图时便于连接。

3 施工控制测量

3.1 洞外施工控制测量

原漫湾洞外控制网是漫湾一期工程所建立起来的, 已有近十年的时间, 它们的稳定性和相对精度将直接影响到漫湾二期工程建设的质量, 建立一个统一基准、高精度的施工控制网是保证整个工程施工测量质量的基础。根据漫湾二期工程建设的需要, 按国家测绘标准和本工程施工精度要求, 测设用于本工程建设的施工控制网。由于漫湾二期地下洞室位于大坝的右岸, 进水口到3#洞进口直线距离有1 km长, 而业主提供的控制网点大多位于大坝的下游左岸附近, 根据现场情况, 选择6座业主方提供的强制归心标墩作为漫湾二期工程施工控制网点, 选择37#点和Ⅲ20点作为控制网的起算数据, 使各网点的精度均匀并具有较好的图形强度, 见图1。

3.1.1 洞外控制网的外业观测

控制网布设成边角组合网, 施测所有点位的边长、角度、高差, 按《水电水利工程施工测量规范》实施, 选用标称精度为±2+2 ppm的尼康DTM830全站仪施测, 施测前首选采用全站仪“差值法”对棱镜常数进行检测, 在观测时仪器要输入温度、气压和棱镜常数, 观测过程中采用遮阳伞, 避免阳光的直接照射。对向观测边长和高差4个测回, 角度观测9个测回。

3.1.2 内业计算及平差

首先对外业记录手薄进行200%的检查, 绘制控制网平面草图将角度观测值、距离观测值、高差观测值标注在草图上, 方便数据的录入, 为了使漫湾二期控制网与一期控制网系统一致, 将距离经加乘常数改正后投影到910高程平面上, 投影计算公式为:

式中D—经各项改正后的平距, m;Hm—投影面高程与测距边两端平均高程之差, m;R—地球平均曲率半径6 369 000 m;H—测距边两端点高程的平均值;Hr—测区选定的投影面的高程。

将检查计算无误的观测数据按《平差易》软件的格式录入, 根据平差软件计算方法步骤按三等控制网的要求进行平差计算, 平面位置精度统计如下:

最弱点为05#点, 点位中误差=0.002 6 (m) ;

最弱边为J06～Ⅲ25, 边长相对中误差=1/173 833;

平面网验后单位权中误差=1.35 (s)

平面点位精度见表1。

高程精度评定统计见表2。

高程精度评定标准为:W闭=H起+∑Hi-H终

三等水准线路闭合差

其中:L为闭合或附合线路长度, 单位为km。

根据精度统计结果显示平面精度和高程精度都达到国家三等控制网精度的要求, 可作为漫湾二期工程施工测量基准。

3.2 洞内控制测量

洞内控制测量主要有以下两个特点: (1) 最初布设成支导线的形式, 随隧洞的开挖而逐渐向前延伸, 为确保精度和准确性, 定期与洞外控制点组成闭合导线来复核。 (2) 导线的形状取决于隧洞的形状, 分级布设施工导线和基本导线。

洞内控制精度的高低直接影响到地下洞室群相互之间的贯通, 漫湾地下洞室纵横交错由主洞、交通洞、排风洞、排烟动、排水洞等共有20多个地下洞室组成, 要满足它们之间的相互关系, 必须做好洞内的基本控制。由于洞内的烟尘和施工干扰较大加上灯光照明较弱, 影响目标的照准精度。所以, 洞内基本导线相邻点间的距离以不超过70 m为宜, 导线点间距离在50 m以内, 具有较高的照准精度, 导线点沿洞壁两侧布设在不易受施工干扰的地方, 同时观测导线的左、右角。在短边和长边变化处增加左、右角的观测次数, 以减小角度观测对横向误差的影响。

目前地下洞室大多使用全站仪进行测量, 全站仪本身具有较高的测角精度和测距精度, 在测量过程中操作认真、仔细、避免粗差的出现是可以满足隧洞贯通精度的要求。

4 施工放样

漫湾二期地下洞室开挖工作面多, 施工放样频率高难度大, 放样的速度和质量直接影响到地下洞室开挖进度, 为保证施工进度和质量必须优化施工测量方法, 首选有无棱镜反射测距功能的全站仪, 采用红色激光点直接在掌子面上能快速测出隧洞轮廓点的三维坐标, 编制好测量放样计算程序, 根据计算出的超欠值移动激光点逐步放样到设计轮廓线上。

漫湾二期工程放样的难点主要集中在1#洞和引水洞的斜井段、尾水调压井的球冠、厂房顶拱的三心圆上。要解决上述问题必须建立正确的数学计算模型, 斜井段的洞型有城门型和圆型两种, 它们的计算方法基本相似, 我们所测得三维坐标是相对于铅垂面上的, 而斜井与铅垂面有一夹角, 用三维坐标直接解算较困难, 针对这种情况首选将观测点的三维坐标投影到斜井段的垂直斜面上, 使其变为二维平面直角坐标, 这样就可在平面直角坐标系上解算隧洞轮廓点的超欠值。以引水洞斜井段为例, 见图2。

引水洞斜井长71.987 m, 上下由半径为25 m的弯管段组成。投影面转换公式为:

式中Hp—点P的实测高程;Hg—点P在斜井段上的设计圆心高;E—为观测点P在轴线上的偏距;R0—圆洞半径;S—隧洞轮廓线的超欠值;X斜—P点在斜垂面上的投影。

尾水调压井洞身高69 m, 顶拱是一半径为16.339 m的球冠, 设计规定严禁欠挖且超挖不得大于15 cm, 经过反复研究论证要想保证开挖精度必须是短进尺多循环, 通过计算和比对钻杆进尺长度在0.5 m左右超挖可控制在13 cm以内。在放样过程当中为每一个钻孔提供两个方向的差值, 即球心的径向差值和平切圆的径向差值以控制钻杆的摆动方向。见图3。

径向差值按下式计算

式中X、Y、H分别为球心和观测点P的三维坐标

R—球心的半径;S1—球心的径向差值;S2—平切圆的径向差值。

将径向差值分别标注在岩石面上供施工人员使用, 该项工程获得了业主颁发的样板工程奖。

5 竣工验收测量及成果资料的收集分析

竣工断面验收资料是检查开挖质量的重要依据, 一个工程项目的完工必须有完整合格的竣工验收资料, 竣工验收资料主要在日常及时收集, 一个单项工程竣工必须提供该部位合格的断面验收资料, 也才能进入下到工序的施工。而隧洞开挖断面验收一般以5 m一个断面, 同时交叉作业, 施工干扰大, 工作量很大。必须在断面施测时提高工作效率, 隧洞断面验收目前使用的仪器大多为免棱镜反射全站仪, 直线段上可不需在每一个断面上设站, 而是任意架站, 只需将施工坐标系转换为以直线段线形中心为纵轴, 中心的法线方向为横轴的平面坐标系上即可。施测出来的坐标就是直线段上的桩号和偏距, 一个测站就可以施测多条断面而不需在每条断面上设站, 在斜井段断面验收可用测地形图的形式测量, 用电子计算表格Excel编写断面计算程序对每一个地形点进行计算, 然后将斜长相同的点组合起来就可构成一个完整的断面图, 这些方法在漫湾二期工程中得到了较好的运用, 不仅提高了工作效率同时也减轻了外业劳动强度。

6 科技创新提高工作效率和质量

目前计算工具大多采用的是CASIO fx-4800p计算器, 其程序编写结构简单、方便目前已得到广泛的应用, 但其内存容量较小, 为充分利用好计算器存储计算功能, 将有共同特点的洞型, 分类编写成一个小模块供主程序调用, 这样程序结构简单、易读、通用性强。由于其内存容量小, 无法存储大量的外业观测数据, 还需人工记录, 而且在不同的部位还需从新录入起算数据。用PC-E500微型计算机和文曲星掌上电脑就可以解决上述问题。可将整条线路、洞室的平面、纵断面以及横断面各种形体参数溶合为一体化, 任意桩号或距中线任意点均以三维坐标的形式表达出来 (平面坐标和高程) , 在放样时找到平面位置的同时, 也得到该点的设计高度, 从而实现三维放样。

地下洞室另外一项繁重的工作就是断面验收后的数据处理与成图, 外业数据的采集可自动存储在全站仪的存储模块上, 通过数据通讯电缆线与电脑连接打开CASS5.1地形地籍图软件就可将录入的数据传输到电脑中, 此时只实现了数据的录入并没有得到计算的结果, 利用Excel可编程功能可实现隧洞断面验收计算程序, 只需将录入的数据复制到相应的格式中拖拉计算表格就可得出全部的计算出结果, 从而实现了数据内外业一体化功能。

7 结语

井下多相流测量技术综述 篇7

目前井下流量动态监测大多采用单相流量测量仪表如涡轮流量计、井下多普勒流量计等。前者通过计算涡轮的转速获得井下流体的流量, 而后者利用了声学多普勒效应测量流体流量。 这2 种流量计没有对相分率进行测量, 无法提供多相流中各相的流量, 从而影响了多相流的测量精度和效果。 当下, 只有国外极少数公司能够提供井下多相流测量的解决方案, 在国内井下多相流量计的应用几乎还是空白。

1 井下多相流测量技术

1.1 井下温度和压力的测量

由于井下工况和地面工况之间存在较大的差异, 因此井下多相流的测量离不开井下温度和压力的测量。 目前用于井下温度和压力测量的仪表主要有两大类: 一类是电子传感器, 另一类是光纤传感器。

电子传感器中最典型的是电子石英传感器。 石英的化学性质稳定, 在井下高温高压等恶劣环境中能够保持较好的传感特性, 将石英传感器和必要的电子元件配合使用能够实现较大温度范围和压力范围内的高分辨率测量。 在20 世纪80 年代石英传感器出现以前, 井下压力测量系统都是通过应变计来测量压力的, 这种应变计与石英传感器相比分辨率低 (0.07k Pa) 、漂移大 (>68.9 k Pa/a) , 难以满足井下环境对仪表超高稳定性和可靠性的要求[4]。 常用井下石英传感器大致包括以下几类:石英电容传感器, 压电传感器和谐振梁式传感器等。 其中谐振梁式传感器应用较多, 测量精度较高, 在非光纤类传感器中, 谐振梁式石英传感器已经成为井下压力测量的基本传感器。

井下极端环境对工业用传感器的可靠性和稳定性提出了苛刻的要求。为了满足市场的需求, 出现了尺寸更小、能承受更高压力和温度的传感器。这些能够承受高温高压的传感器适用于井眼尺寸随深度而减小的深海环境。此外, 对测量精确度的要求还催生了井下双压力传感器, 安装在井下的压力传感器由1 个变成了2 个, 2 个传感器可以互相验证或者在其中1 个仪表失效的情况下互为备用。

目前石油工业测井技术领域应用的电子类井下压力传感器的测量精度可以达到0.015%~0.02%的满量程, 分辨率达到了0.07k Pa左右, 最高压力测量范围达到172~207MPa; 温度传感器的测量精度可以达到0.15℃左右, 最高能够承受200℃左右的高温。 表1 给出了部分厂家的井下温度压力传感器参数。

注:以上数据来自对应公司官网

在过去的几年中, 井下光纤传感器在石油工业中得到了广泛的应用。光纤无可动部件, 抗电磁干扰能力强, 耐高压、耐腐蚀, 在井下极端环境中具有极强的适应性、可靠性。

应用于井下温度和压力测量的光纤传感器主要有以下几种:布拉格光栅传感器 (FBG) 、法布里-珀罗干涉传感器、分布式温度监测系统 (DTS) 等, 其中FBG和法布里-珀罗传感器主要用于单点温度和压力采集, 而DTS则可用于井下不同位置的多点分布式温度测量。 国外某公司生产的井下光纤传感器压力测量精度可以达到0.01%的满里程, 分辨率达到0.2k Pa, 温度测量精度达到了0.1℃ , 分辨率为0.02℃。 这种光纤传感器能够适应井下150℃的高温和137.9MPa的高压。

尽管现在预言光纤传感器将取代电子类传感器在井下的应用还为时尚早, 但光纤传感器在恶劣环境中的适应性却被广大的研究者和应用者普遍看好。

1.2 井下多相流的测量

井下多相流的测量与地面多相流的测量思路基本是一致的, 即通过一定的方式分别测量出多相流体的总流量和各单相的相分率 (体积相分率或质量相分率) , 结合滑移模型计算出各单相流体在工况条件下的体积流量或质量流量, 再借助一定的PVT模型将工况相流量转换到标准状况条件下。

井下流量计可分为两大类:短时型与永久型。短时型井下流量计在井下的工作时间一般是几个小时至几天的时间, 而永久型井下流量计工作寿命要达到几年甚至十几年。

1.3 井下光纤流量计

通过在一根光纤上集成多个FBG传感单元, 可以测量出光纤传感器处管壁所受到的压力扰动信息。这里的扰动由两方面原因造成, 一是紊态管流所产生的涡流给管壁造成的压力扰动, 二是管道内声波沿管道向上下游传播对管壁造成的压力扰动。 运用声纳处理技术可以将这两种扰动区分开来, 从而实现流速和声速的测量。 根据压强扰动的相关信号可以得到混合流体在管道中流动的速度, 即混合物流速;根据声速可以计算出流体的混合密度, 再结合测得的温度、 压强等信息就可以推断出被测处油水混合物的组分比例和速度等信息[3], 如图1 所示。

美国某公司研制的光纤多相流传感器可进行多相流组分 (包括含水率、含气率) 和流速的测量, 含水率、流速测量误差在测量范围内都小于±5%。 两相流传感器的工作温度0~150℃; 工作压力0~103MPa。2000 年该公司在位于墨西哥湾的某深水油井内安装了基于布拉格光栅原理的流量传感器。 传感器的下放深度最大超过6 400m, 环境压强达48.3~58.6MPa, 工作温度54~65℃。 在此环境下, 传感器可以实时向地面传送高精度的井内流速、含水率、压力和温度等信息。

国外某公司官网上提供了一种基于光纤技术的井下多相流量计产品。 由于声波的速度与混合物中油、气、水三相的体积分数有直接联系, 其核心技术为基于管中流速以及声波在混合物中传播速度的测量。 该产品适用于直径从136.5mm到139.7mm的管道。该流量计应用于油水两相流的流量测量, 精度达到了5%, 应用于气液两相流的流量测量精度为5% ( 含气率<30% 或含气率>90% ) 到20% ( 含气率在30%~90%) , 已安装了16 台于近海油田, 至今已正常工作3 年以上。

国内光纤流量计的研究尚处于起步阶段, 一家光纤传感技术重点实验室研究了一种光纤干涉流量计[6]。 当流体流过管壁时可由湍流产生振动, 紧密缠绕在油管外壁的光纤能够感应振动信息, 通过管壁振动频率特性范围内确定出的由湍流诱发管壁振动加速度脉动值标准方差与平均流量的量化关系, 即可求解出相应的流量。 目前实验完成了5~60m3/h的较大流量量程的监测, 测量精度为±5%。 这是最接近国外永久型井下光纤流量计的研究工作, 然而其仅在实验室进行了水流量的实验测试, 距离井下多相流的测量还有很多工作要做。

光纤流量计具有抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、无电子原件等优点, 在井下应用中具有明显的优势。但是这种流量计的测量范围有限, 作为永久性安装流量计来说, 随着油田的进一步开发, 必然伴随着含气率的变化, 当含气率超出量程范围时, 其测量精度将大打折扣, 这也就限制了该流量计在特定工况下的应用。

1.4 文丘里比重流量计

美国某公司是最早涉足井下多相流计量领域。1994 年, 该公司第一套Flo Watcher系统实现了油田现场安装。 这种流量计采用文丘里差压来计算井下多相混合流体的总流量, 采用重力式差压计来测量井下混合流体的密度[7,8], 进而推算出各相的相分率, 如图2 所示。

这个系统包括一个带有长直管段的文丘里喷嘴和3 个永久安装的压力传感器。 压力传感器2 和压力传感器3 用来测量流体的混合密度, 压力传感器1 和压力传感器2 用来测量流体的流量。 压力传感器2 和压力传感器3 之间的差压是由两部分引起的, 一部分是重力作用形成的静水差压, 另一部分是由流体与管壁之间摩擦产生的摩阻损失。 据此可计算出流体的混合密度。

这种流量计结构和原理简单, 依靠静水压力测量混合流体密度进而求的相分率, 但是对传感器的精度和分辨率要求较高, 在高井斜和水平井中无法应用。

1.5 文丘里伽马流量计

国外某两家公司在1997 年曾合作开发过一种文丘里与伽马密度计相结合的井下多相流量计[9,10]。该流量计使用2 个绝压表测量文丘里喉部和入口直管段的压力, 进而求得混合流体流过节流件时的压降。 位于下游的以Ba133 为放射源的伽马密度计可以测量出介质的混合密度, 结合压力表测得的差压可以得到混合物总流量。 如果标定出气-液或油-水的单相密度, 则根据混合密度公式就能求出各相的相分率。

这种井下流量计只有3 个传感器组成, 可同时测量多相流量和相分率。与文丘里比重流量计相比, 这种流量计不再依赖静水压力来获得相分率, 因而适用于高井斜的井和水平井。 2000 年, 流量计原型机在某油田安装试用, 安装深度5 273m, 井斜88°, 井底压力17.5MPa, 温度60℃, 可同时上传温度、压力、流量、密度、相分率等。 通过这些数据, 可以监测泡点压力、水侵、气锥的出现。

1.6 有望用于井下湿气测量的双差压文丘里湿气流量计

利用多级差压技术可实现湿气在线测量[11]。 在ISO/TR 11583:2012[12]中对差压式湿气流量计的设计和模型已有说明。 文丘里湿气流量计是常见的一种多级差压式湿气流量计, 由于没有可动部件, 结构简单, 可以适应含砂摩擦、强腐蚀等各种恶劣的工况条件。

这种流量计在文丘里喉部和上下游管段分别取一个压力, 然后依据两级差压之间的关系建立一定的虚高模型, 通过迭代求解的方法确定出混合流体中气相和液相的流量, 如图3 所示。

目前多级差压式湿气流量计在地面的应用已经得到了现场验证和石油运营公司的认可, 国外公司更是将这种技术用到了水下。 国内某高校在多级差压式湿气流量计的研究方面取得了一系列的成果, 2010 年, 该高校研发的基于DTD-VV双节流三差压原理的凝析天然气两相流量计开始应用于国内某气田, 截至目前已经完成了1 500 余次测试, 取得了显著的经济效益和社会效益。 2013 年1 月起基于双差压长喉颈文丘里DLV技术方案的凝析天然气两相流量计开始在国内某油气田测试, 由于其结构简单, 工作可靠, 运行稳定, 也取得了较好的测试效果。

文丘里流量计由于结构简单, 对井下极端工况具有较好的适应性。 同时, 文丘里结构与井筒类似, 较容易在井下实现空间布局和传感器集成。而且, 此项技术在国内已经有了较好的基础, 因此, 对国内井下流量计研发而言, 将双差压文丘里湿气流量计从地面到井下的移植具有较高的可行性。

2 井下多相流计量面临的挑战

从多相流测量的角度来说, 多相流由于其固有的复杂性, 测量精度往往受到流型、滑差、介质性质变化的影响。 理想的多相流测量技术应该是直接测量各相流量, 但是目前这样的技术并没有出现, 至少还在理论和实验室研究阶段, 如何避开滑差、PVT参数影响, 提高多相流测量精度是多相流测量 (包括地面、井下和水下) 所面临的一个问题。

井下恶劣的测量环境和有限的空间也对整套井下测量装置的可靠性和空间结构提出了较高的要求。井下与地面不同, 流量计安装之后维修和回收所需的技术和成本过高, 因此通过技术手段提高井下流量计的可靠性是井下流量计发展的一大挑战。

对国内而言, 井下多相流量计的关键技术仍掌握在少数几个国际大公司手中, 售价昂贵, 井下多相流量计国产化是一个趋势。 但是国内相关研究仍在起步阶段, 国内研究机构和多相流量计厂商要解决井下多相流量计在设计、制造、安装、维护、标定、防腐等问题方面还有很长的路要走。

综述公路施工中的路基施工测量技术 篇8

1 在施工之前要进行的相关测量工作

在公路的施工建设工作中, 准备工作是相当有必要而且非常重要。首先是必须详细读申设计图纸, 同时还要对当地的土质和环境进行相关的踏勘, 要熟悉将建公路的周围环境, 按照设计图纸上所指示的目的和思路, 综合考虑环境因素, 优化设计测量方案。其次就是按照测量方案, 在进行施工前, 依据相关的规定和参考标准的要求, 按照测量方案中要求的水准导线等级布设测量水准导线, 以控制水平位置;按照测量方案中要求的导线等级测设导线网, 以控制平面位置。如果某个方面达不到要求, 就要进行校正, 以符合规定的要求, 达到标准。比如说, 对于水准点, 应使它们之间的距离不能超过1000米, 尤其是在地形不平坦, 环境多变的地段, 应该尽可能地增加多的水准点, 增大其密度。对于导线点, 应该仔细合理地设计其密度, 使其能够互相看得到, 还要在适当的地方增大其密度, 使其符合相关规定的要求。最后对于道路的横断面图, 也要进行仔细的检查和核对, 确保其精准无误。必要时需对断面图进行复测。

2 施工时的挖掘方式及测量方法

进行公路的修建并不是笼统地乱挖一气, 而是要有针对性地对每一段路进行分析, 在不同的地方分段挖或分层挖。[1]对于施工线路不长的地段可以采取横向挖掘的方案, 对于那种地堑非常深的地段可以分不通的地段进行分段挖掘。[2]根据施工需要, 需对导线点进行加密, 在开挖中破坏掉的导线点, 要及时重新埋点并测设。在开挖过程中, 根据开挖放样需要, 可在控制点上直接架设全站仪进行测量, 也可采用仪器内置的“自由设站法”进行设站。进行点位放样时, 可采用极坐标放样, 也可采用仪器内置程序或卡西欧计算器线路程序进行坐标放样。现在全站仪内置程序比较全面, 各种线型都能进行计算, 而且使用简单方便, 可有效的利用起来。

3 选择适当的材料和方案对路基进行填充

材料是公路建设的基础, 也是相当重要的一个部分, 要想打好路基, 就必须选择适当的材料和优良的方案, 对材料的选择要充分考虑到当地的环境, 考虑到填充材料的直径大小以及填充材料的坚硬程度, 要确保所选的材料建成的路基能够支撑起足够的重量和压力, 另外, 填充方案也是一个非常重要的部分, 填充方案是要结合当地的自然地理环境和条件, 使用正确的填充方案, 确保材料的最小程度能够达到要求, 足够稳固。

4 建造合适的路面高度和坡度

要想保证公路足够牢固扎实, 质量优良, 就要尽量减小路面的起伏程度, 如果起伏程度过大, 路面就容易被损坏, 如果较平缓, 路面不易变形。要结合公路周边的地形状况, 选择合适的路基高度, 进行科学的测量分析, 找到与周边的地形状况适应的边坡设计方案再进行施工。在不同的地质处要分别进行考察分析, 有的地方土质松散, 有的较紧实, 有的地方土质较软, 有的较硬, 有的地方容易被雨水冲蚀, 有的容易引起风沙侵袭。在施工的时候这些都要考虑到, 设计合理的路边高度来排除这些灾害的影响。只有这样, 才能加强道路的稳固性, 保障施工的效果。

5 进行合理测量, 确保路基排水顺利通畅

要想完成一项合格的公路建设工程, 不仅要考虑到是否适合施工, 还要考虑到公路运营之后, 能够产生良好的效果, 因此就要考虑到建成后路基的排水状况, 也就是说要在公路建设之前进行科学合理测量, 设计合理的排水方案, 例如可以采用隔水垫层这种方案, 也可以对路基进行处理, 将不够高的地方进行垫高处理, 还可以借助排水沟解决路面的排水问题, 另外, 为了加强路面的稳固程度, 可以考虑加入一定的石灰。还有一种方案, 就是直接在路面上设计横向的沟和坡, 这样水就可以通过这些横向的沟和坡排泄出去, 或者是在路面上设计排水孔, 这样水就可以通过排水口排入地下, 而不会积在路面, 影响车辆和行人的出行。也可以采用横向的排水沟设计, 将积在路面的水排出去, 或者是在路基上安装排水管, 使积水通过排水管排泄出去。

6 对修建好的路面进行相关的维护

公路建设并不是修建好了就代表完成任务, 大功告成了, 而是要保证后期的运作能够真正给车辆和行人带来方便, 这就要求公路建成之后还要定期检查和维修。由于自然灾害或者是恶劣的环境会对公路造成一定的影响, 检查和维护工作是必不可少的, 比如说, 泥石流和暴雨等自然灾害会损坏路基, 对路面造成一定的破坏, 工作人员必须及时发现及时检修, 以免影响交通, 给行人车辆带来不便或是造成交通事故。还有长期的日晒雨淋可能也会让路面暴露于这种恶劣的天气之下并且路基渐渐变差甚至崩坏, 尤其是路基材料不够结实, 路面不够稳固的地方。相关工作人员可以采取一定的办法, 比如说在一些地方种上草之类的植物, 使其帮助减小路面的温差, 减少自然灾害和风吹日晒雨淋等恶劣环境对路面所造成的损坏, 有利于加固路基, 使其运行的时间更加长久。另外, 种植植物也可以增加绿化面积, 改善公路及周边的环境, 这对于人们的健康也是有益的。[3]

7 总结

路基建设是公路建设中一个相当重要相当关键的部分, 要做好这些工作, 精确高超的施工测量技术必不可少, 因为它涉及到道路挖掘的方案, 材料的填充, 路面坡度的大小程度以及排水状况、路面的维护等各个方面。因此, 要想办法提高测量技术, 提高施工效率, 同时还要加强对公路的建设工程质量的管理和监督, 每一个步骤都要十分仔细, 不能有丝毫疏忽和大意, 不然就会影响到整个工程的效果, 出现公路建设质量不合格、无法经受时间考验等后果, 只有保证良好的施工效果才能达到要求, 使建设的道路满足人们的需要, 方便人与人之间的沟通交流, 促进交通的发展, 拉动经济的增长, 产生巨大的效益。

参考文献

[1]韩耀伟.公路路基施工技术及其质量控制分析[J].中国高新技术企业, 2015.

[2]段明.浅谈路基施工测量工作[J].科技与企业, 2014.

逆向工程测量技术综述 篇9

输电线路担负着传送电能的重要任务，其故障直接威胁到电力系统的安全运行。准确的故障定位对于加速排除线路故障和尽快恢复供电具有重要的意义。

国内外对于输电线路故障定位方法的研究已进行了数十年，提出了大量的故障定位原理和方法，如行波法、阻抗法等，也有专家应用人工神经网络、小波原理等智能方法进行了研究。其中，阻抗法[1]由于受到故障过渡电阻等因素的影响，其测距误差较大;行波法[2,3]存在硬件造价高等问题，实际应用还有待研究;而人工智能[4,5]等模糊理论和方法具备不确定性，在训练样本选择、硬件等方面也有难度，尚不能投入实际应用。故障分析法中的单端测距算法[6,7]，由于信息量不足，测距精度始终要受系统运行方式和过渡电阻的影响，结果不甚理想。而双端测距算法由于充分利用了故障信息，可以取得很高的测距精度，但是由于需要双端信息传递，而且大部分双端算法对信息传输的实时性要求较高，这在双端算法的早期发展中带来了不少困难。

随着自动化技术的发展、信息传输技术的不断进步;尤其是近年来，相量测量装置(PMU)的研制和开发，为双端故障测距提供了新的工具。基于PMU的WAMS平台的发展使同一时标下精确的双端测量成为可能，从而可以大大提高故障定位的精度。针对目前基于同步相量测量技术的故障测距算法研究状况，本文对这些方法进行总结比较，并对它们的定位效果作相应的评价。

1 WAMS简介

根据电力系统的发展需求，近年来人们开始研究相量测量单元PMU和WAMSㄢ

WAMS是以PMU为基层单元采集信息，经过通信系统上传至调度中心，实现对系统的监测，构成一个系统。PMU利用GPS时钟同步的特点，测量各节点以及线路的各种状态量，通过GPS对时，将各个状态量统一在同一个时间坐标上。全球定位系统(GPS)使算法中必须的高精度同步时钟有了保证，也使双端同步采样的精确测距方法能得以实现。

PMU由微处理器、GPS接收器、信号变送模块及通信模块组成，其构成如图1所示[8]。

三相电压电流暂态量经由PT、CT输入信号变送单元，进行A/D转换、滤波后的高精度信号进入测量单元，由微处理器计算相对于GPS同步参考时间的相量值，加上同步时间构成数据帧传送给通信模块。

相量测量可以采用过零检测法、快速傅里叶变换法和离散傅里叶变换法等。现已研制并投入使用的PMU一般采用离散傅里叶变换法计算相量。

2 参数在线估算

输电线路的参数(特性阻抗、传播常数、线路长度等)一般是作为已知量参与运算的。这些参数的准确与否直接影响到故障测距的精确性。通常已知的参数是线路建成初期测定的,这些参数在投运后由于气候、环境及地理等因素的影响会或多或少地发生变化。因此,如能实时测定或计算出线路当前运行情况下对应的参数,则具有十分重要的价值。

根据WAMS提供的线路两端的同步电压和电流相量与线路参数的关系即可方便地计算输电线路的各种参数。文献[9]提出一种线路参数实时计算方法,它根据长线方程并利用两端同步电压和电流相量直接求解出线路的特性阻抗和传播常数。文献[10]利用PMU测量线路的电压、电流同步相量,通过计算得到各分序线路的参数;与传统线路参数测量方法相比,具有设备简单、易于操作、不影响正常供电等优点。文献[11]对三端传输线路的参数进行在线估算，将线路看成三条单线;通过配置在各端的PMU连续2次(相角变化超0.1弧度)采集电压、电流相量，根据KVL建立12个方程，从而解出12个线路参数未知数。

3 双端同步测距原理

双端同步测距算法要求线路两端的数据采样同步进行，得到的电压和电流量具有统一的时间参考基准。按采用的数据量，双端故障测距算法可分为三种：一是两侧电压电流法;二是本侧电压电流对侧电流法;三是两侧电压法。

3.1 两侧电压电流法

针对目前基于双端同步电压、电流相量的测距算法，本文总结了几类常见的方法，如故障方程求解法、搜索迭代法、基于时域方法等。

(1)故障方程求解法

该类方法通过对线路两端采集到电压、电流数据进行滤波变换，将其分解为各次谐波,得到工频分量;再根据分解原理(对称分解、克拉克分解等)建立线路的正序或负序分布参数模型，按照线路故障特征(故障点电压相等、过渡电阻的纯阻特性等)列写故障测距方程，求解其故障位置。该测距算法能适应系统运行方式的变化，不受故障点过渡电阻、故障类型、故障距离等因素的影响，具有很高的测距精度。

由于故障发生后的很短时间内，系统内电压、电流的频谱成分相当复杂，因此对装置的滤波能力要求较高。文献[12,13]最先应用此原理得到故障定位公式，并将SDFT运用到滤波中，结果表明这一滤波方法可改善算法的定位精度，并可增加算法的稳定性，使计算结果的精度受环境条件变化的影响更小。文献[14]通过构建精确求解基频及整次谐波分量的非线性方程以及将其转化为线性方程进行求解,并针对离散化积分引入的误差进行修正,将该滤波算法用于输电线路故障测距方程后，取得了更高的精度。

同时故障定位方程一般是复杂的长线方程，因此方程的精确求解也是该方法的关键。文献[15]根据电压、电流的故障方程推导得故障位置的实数方程解，从而避免对解实虚部的讨论，提高精度。文献[16]引入遗传算法求解故障测距方程,采用群体搜索和多父体重组策略,在一次搜索中算法可求得故障距离的多个解,有利于伪根的判别，且计算速度快、精确度高。文献[17]证明在上述利用长线方程沿线推导故障点电压、电流方程的测距算法中,原理上存在伪根的可能性,在某些情况下,会得到错误的测距结果;并对上述测距算法进行改进,提出了判别伪根的原则,使其更具通用性。

(2)搜索迭代法

该类方法只需采集得到的线路两端电压、电流工频分量的幅值与相位即可进行，利用故障线路两端母线到故障点电压呈不断下降趋势的特点，运用线路分布参数方程，通过搜索所有线路，找出从两端电压下降曲线的公共点即为故障点的方案。该算法无需解方程,因此不存在伪根的问题,它不受过渡电阻、故障类型的影响,且能适用于较长的高压输电线路。

故障点搜索指标的建立是决定该方法精度的关键因素。文献[18]由叠加原理和对称分解，把故障网络可分解为正常网络与故障附加正序网、负序网和零序网;根据电压分布特征，对各种故障类型均存在的附加正序网络建立搜索指标，可有效地解决系统阻抗等效问题，通过搜索算法实现精确定位。文献[19]根据故障点的电流正序分量特征，建立关于电压、电流相量的搜索指标，从而减少两端数据不同步带来的误差。

同时算法搜索过程的实现也影响着定位的精度。文献[20]对搜索过程进行优化，基于线路分布参数模型，根据正序故障分量电压沿线分布规律，通过搜索迭代将故障点界定在一段短线路上，从而将分布参数长线测距转化为集中参数短线测距。即使任意选择初始值,通过简单的迭代搜索就可以初步找到故障点的大致位置,计算量也不大,因此具有较高的实用价值。文献[21]提出了针对双回线线路的故障测距方案，其采用正序电压的故障分量，将沿线路搜索电压最低点作为故障点，并对搜索的模糊区进行了讨论，给出了一种平均值法减小误差的方案。

(3)基于时域方法

由于故障初期非周期分量和高次谐波较大，即使进行了滤波也很难准确地提取工频分量，因此上述基于工频信号的方法，会对定位的精度造成很大的影响。时域方法的提出可以解决频域方法的不足;该方法只使用采集装置直接采得的数据，无需滤波和相量提取，省去了时域与频域的转换，不受过渡电阻及电网频率波动的影响，精度高于工频法。而分布参数模型是针对传输线路的分布特性建立的，是系统稳态、暂态过程中适用的精确模型。因此基于上述两方面考虑的高精度定位是以后的趋势。

文献[22,23]使用集中参数模型，根据基尔霍夫定理列写关于系统中电压与电流的微分方程，再进行代换并消去多余的未知数，然后做离散化处理化为差分方程。该方程是以故障点位置为未知数的一次方程，且其已知量是由已知的线路参数和两端采集得到的电压电流瞬间量。而文献[22]通过对时域电压、电流进行频率采样，得到距离解，结果表明采样频率越高，定位越准确。随后对上述方法进行修改，引入分布参数线路模型;文献[23]则通过统计两端电压电流瞬时值，做最小二乘拟合求得该未知的故障点位置。这种使用多个采集点统计拟合的处理可以修正因噪声信号造成的误差。文献[24]提出了一种双端时域参数识别法，该方法利用均匀传输线的分布参数模型，推导出线路上电压的沿线沿时分布，然后通过找寻在一段时间内两端推算电压最小值点，将该点作为故障点，从而确定故障位置。文献[25]中的仿真结果表明该算法定位效果理想，且对线路长度及分布参数的变化有一定的抗干扰能力。但该方法对两端采集的数据同步要求较高。

3.2 本侧电压电流对侧电流法

由于故障发生时,电流互感器极易达到饱和，将导致采样波形发生畸变,从而不能正确地反映真实故障电流。因此电流互感器饱和是影响输电线路双端测距算法的一个重要因素。解决CT饱和影响故障测距的途径之一是对饱和电流进行补偿矫正,文献[26,27,28]提出了多种方法,但实际上很难做到将饱和电流完全矫正。另一种解决的途径是研究仅利用两侧电压和另一侧电流,而不考虑CT饱和的一侧电流，具有更高的测距精度和更广泛的应用。

文献[29]基于RL模型,利用两侧电压和CT未饱和侧的电流求得了故障距离,但对于长线,忽略线路分布电容将引起较大误差。文献[30]考虑分布参数，使用复杂的优化算法来解决CT饱和对测距的影响。该方法对给定的初值要求较高,需要鉴别哪些相CT饱和,从而选取不同的目标函数,变量多,计算量大。文献[31]基于分布参数模型,根据过渡阻抗纯电阻性质,提出了一种高精度测距算法,较好地解决了CT饱和或断线影响测距的问题，但该方法需要判别故障类型,要和选相元件配合才能应用。因此目前考虑CT饱和的双端故障测距算法仍有很大的研究空间。

3.3 两侧电压法

为了有效避免由于电流互感器饱和带来的测距误差，学者提出了仅基于线路两端同步电压相量的测距算法。理论上，这类方法无需电流相量参与，可以完全不受饱和侧电流的影响。

文献[32,33,34]提出一种仅利用线路两端电压相量实现测距的方法,根据故障后各节点组成的电压变化量矩阵方程求得故障距离;仿真结果表明该方法增强了双端测距的灵活性,测距精度高,并且避免了由电流互感器饱和所造成的测距误差。文献[35,36]提出了故障线路正序端电压比指标概念，并证明了这一指标仅与故障距离、线路的阻抗有关，而与故障类型、过渡电阻无关;其次通过软件仿真得到故障点位置与电压比指标的单调曲线关系，进而对两端或三端线路进行匹配定位，可得到唯一的距离解;实际的仿真表明这一方法也具有较高的精度。但上述方法需要提供两侧系统的等效阻抗,而在实际运行中，两侧系统阻抗是变化的,且在缺乏电流的情况下无法在线测量，因此这是一种理想化的测距算法。

4 实际应用

随着电力系统的不断发展，各种支接线路已越来越多地出现在高压和超高压电力网中。两端系统的故障测距算法比较成熟，但由于结构上的特殊性，很难将两端系统的算法直接用于各种支路系统。而双端测距原理要求传输线路两端均配置有PMU，虽能保证测距精度，但经济上十分不适用。因此研究当各种支接线路发生故障时，以最少的PMU配置，快速、准确地实现故障定位具有重要的实际意义。

4.1 常见线路结构

复杂的传输线路网络中，有着很多常见的线路结构，很难直接应用上述双端测距原理，如：三端或多端线路、T型线路、电容补偿线路、双回线、环型线路等等。

(1)三端或多端传输线路

理论上说，用单端的基频电气量无法确定三端系统输电线路的故障点位置，因此，现有的几种可适用于三端或多端系统的故障测距方法几乎都是基于各端的电气量，每条线路母线均需配置PMUㄢ

文献[37,38,39]等利用故障附加分量或正序分量的电压值来判断故障支路，在此基础上，将非故障支路化简合并，得到故障时支接点的等效电压、电流，再对故障支路应用双端测距算法进行高精度的故障测距。这些方法的关键是故障支路的判断，但可能在支接点附近浮现无法判断的死区。因此文献[40]针对三端线路分别假设故障发生在某一支路，由假定正常的2段支路端的电压、电流推算求得支接点电压和注入假定故障支路的电流，从而分别求得3个故障距离，经证明，求得的3个故障距离有且仅有1个在0和对应支路总长度之间，该距离就是真实的故障距离，故障发生在对应支路上。该方法无需事先判别故障支路即可测距，在支接点附近经高阻故障时无测距死区。而文献[41]针对多端线路把故障支路判别指标与定位融为一体，通过对多个指标的比较，从而确定故障位置;避免了故障分支的判别，消除了死区。

(2)T型线路

近年来，社会对电力的需求不断增长，而输电网络发展的相对滞后，导致小型发电厂或负载通过相对较短的线路连入输电线路的情况越来越多地出现在电网中。

上述分支线路一般是长度较短、暂时的措施[42]，若使用三端线路的测距算法，则分支线路PMU的增加显然不经济，因此文献[42,43]仅根据线路两端PMU的电流、电压值得到故障区域判别指标，从而确定故障支路;随后将非故障线路合并，把T型线路转化为双端线路测距问题。但这个方法的前提是分支的发电机或负载模型为已知，但实际上这些模型一般很难精确建立。针对这个问题，文献[44]提出基于线路两端的PMU，在分支(发电机或负载)未知情况下对输电线路进行精确定位;首先假设故障发生在传输线路的某一边，根据故障点电压相等原则和过渡电阻为纯阻抗的假设，建立两个关于故障距离的方程组;通过迭代的方法，求出故障距离，随后求出过渡电阻值，若电阻值为负则故障发生在分支的另一侧。

(3)串联补偿线路

在传输线路中安装串联补偿装置可以增加线路传输容量、提高稳定性等，但这些电子装置出现会严重影响传输线路的故障测距精度。文献[45]提出了当输电线路有串联补偿装置时基于PMU的故障定位方法，与常规方法不同，这种方法不需要串联补偿元件的精确数学模型和运行状态的先验知识，适用于各种对线路电流没有附加相移的串联FACTS元件，EMTP仿真结果表明该方法达到了极高的故障定位精度。

4.2 全网定位

现有的基于同步相量的故障定位方法能否准确地定位故障取决于PMU的配置数量。只有当每条线路的两端均配置有PMU或者间隔一个母线配置PMU时，才能够有效地定位故障位置。但是受费用约束，目前尚不可能如此高密度地配置PMU。因此如何在配置较少数量的PMU的情况下，进行全网的故障定位仍是值得进一步研究的问题。

目前仅少量的文献对该领域进行了研究。文献[46]提出仿真匹配法，仅需少量PMU即可对全网故障进行定位，但该算法需要先判断故障类型并且需要进行大量的仿真计算。文献[47]从电网整体结构进行考虑，引入电压降概念，通过母线电压降的最优匹配定位故障线路，但该方法只能确定某条故障母线而不能精确定位故障发生位置。因此关于如何在现有PMU配置的情况下实现全网的精确定位将会是将来研究的一个重要方向。

5 总结

逆向技术的工程实践综述 篇10

关键词：逆向工程,数据处理,模型重构,工程实践

0 引言

与传统的正向设计流程设计、制造模具、量产相比,逆向工程有所不同,是对已有产品或实物模型进行测量,取得资料数据,用专业逆向软件或CAD/CAM软件转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。

在产品研发过程中,有许多产品是正向设计无法做到的。如原设计者以油泥、黏土、木模完成的特殊外观造型、自由曲面造型,需要后续加工或生产的产品;以实体模型、缩小模型进行实验,完成实验后,由于没有CAD资料,需要逆向方式制作的产品;产品设计保密的规定或商业策略考虑,原设计者不提供原始CAD资料的产品;设计者参考几款产品设计概念,如甲产品的特征、乙产品的外型等,通过逆向流程整合开发的新产品;正向设计后无法忠实呈现产品自由曲面外型,或经过开模、修模等操作后与原始设计作比较有变化的产品;文物、工艺品的修复与仿制等。这类产品的研发必须用逆向设计方法来完成[1,2,3,4]。

随着科技的发展和社会的进步,逆向工程技术的应用越来越广泛。

1 逆向工程关键步骤

逆向工程是实现从“产品(模型)→设计→产品”的生产过程。其关键步骤如下。

1.1 数据采集

数字化测量是逆向工程的初始条件,测量方法的好坏直接影响对被测实体描述的精确、完整程度,影响数字化实体几何信息的速度,进而影响重构的CAD曲面、实体模型的质量,最终影响整个逆向工程的进度和质量,是整个逆向工程的基础。要详细了解所测量对象的信息,如材质软硬、精度要求、表面粗糙度,确定产品要达到的精度,根据测量要求选择合理的测量方法。目前逆向测量的常用方法及特点见表1。

市面上的数据测量设备有很多,典型的采用结构光测量方式的有德国ATOS扫描仪系统、加拿大的Handyscan;采用激光三角测量法的如日本柯尼卡美能达扫描仪系统,三座标法测量仪如美国海克斯康等。

1.2 测量数据处理

逆向测量测得的数据量很大,常常有几万甚至上千万的点云数据。测量数据处理,主要是对点云数据进行对齐、去噪、插值、筛减、排序、光顺、数据分块、基准重建等处理,为后续工作做准备。对点云数据的处理,现有的三维CAD软件功能较弱,一般需要专用的逆向软件来完成。

逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据,软件必须有强大的数据处理、误差检测功能。目前常用的处理点云的逆向软件有Imageware、Geomagic、CopyCAD、RapidForm,用于处理CT、磁共振数据的软件有Mimics、Geomagic、RapidForm等。这些软件在读取点云等数据时,系统工作速度较快,并且能较容易地进行点线拟合,但在进行面的拟合时,所提供的工具或生成面的质量,却不如其他的CAD软件如UG、Pro/E等。在具体工程设计中,一般采用几种软件配套使用,取长补短。

数据处理时需针对不同的测量数据及精度要求,选择相应的软件及处理方法。一般是在逆向软件中,通过降噪、采样、曲线、曲面构建等一系列的编辑操作,得到原产品的几何特征模型,并通过标准数据格式(iges、stl、或step格式)将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中进行后续的建模重构。

1.3 三维CAD模型重构

用专用逆向软件处理完的测量数据,一般以iges或stl格式导入到CAD/CAM软件中,然后在这些CAD/CAM系统中完成最终的产品造型。导入CAD软件中的测量数据一般采用截点、拟合曲线,然后用拉伸、扫掠、网格曲面、桥接、缝合等方法构建零件实体模型。

逆向设计不是简单的将零件外型还原,更主要的是还原设计者的设计意图与加工方法。根据已经处理好的点数据,选择合适的CAD软件与建模方法再设计构建三维数字模型。

目前主流的CAD/CAM软件系统有CATIA、UG、IDEAS、Pro/E和SolidWorks等,由逆向工程软件产生的模型可以直接导入这些软件系统的CAD或CAM模块中,实现数据的无缝对接,其中UG、CATIA这方面功能尤为强大,操作更方便,是目前逆向设计应用的主流CAD/CAM软件。

2 逆向技术的工程应用实践

2.1 工业产品应用

对没有设计图纸或设计图不完整的零部件,利用逆向技术,可形成零件设计图纸或CAD模型,并以此为依据加工复制出一个相同的零件。图1的某发动机燃烧室芯头原为进口零件,没有图纸资料,为了国产化,用三座标测量后结合CAD技术逆向设计得到其数字模型[5]。

对设计的模具零件,设计完成后常常要进行试模、修模等才能形成最终产品,而修模很多时候还需要手工完成,用逆向设计方法对零件再设计时,不仅要保持修模后的形状不变,还要考虑后续生产方法,要在满足加工工艺前提之下考虑零件的重构方法。图2为汽车侧窗玻璃密封条模具零件,该零件修模区域使用线切割方法加工,所以构建该区域面时尽可能使用直纹面或拉伸面,以保证工艺顺利执行。

2.2 文物、艺术品保护应用

该方法也可用于破损的艺术品、考古文物的修复还原。在修复还原时主要借助逆向工程技术揣摩零件原型的设计思想,指导新的设计。艺术品、文物常常具有流线型外形、艺术浮雕等,表面由极不规则的线条构成,如果用正向设计的手段来重建这些物体的CAD模型,在精度、速度等方面都会异常困难,而逆向工程可直接由点成线,或由点成面,不仅保持了原有物品的形貌,还降低了开发难度。图3为艺术品逆向复制效果。

2.3 产品检测

产品检测是产品制造过程中的重要环节,对自由曲面造型零件,传统的测量方法是用靠模板或样板进行检测,耗时多且不能全面检测。借助于逆向工程快速准确的将产品扫描数据与零件设计的CAD数模对比分析,可进行全面的检测,得到3D、2D、边界、间隙面差等各种偏差数据。图4所示为汽车玻璃窗及卡槽间隙的检测结果。

逆向技术运用于碰撞变形及零件冲压回弹等方面的分析比有限元法更接近于实际结果[6,7]。图5为汽车前围板碰撞后的变形检测,利用Geomagic Qualify的自动拟合对位和3D检测功能,将碰撞试验后的零件与原设计零件对齐,快速地实现碰撞试验后车身结构变形量的分析,完全减少了在设计软件中将检测数据对位拟合分析的工作量,优化了检测过程,提高检测效率,且逆向变形分析的实际结果优于CAE分析结果。

对具有复杂内腔结构的零件,如发动机气缸体、气缸盖等,现有各种检测系统难以有效获取其全部数据信息,必须综合利用多种测量技术和设备来进行内腔的全面检测,有些检测技术甚至是破坏性的。文献[8]采用硅橡胶复制方法获取气道数据,文献[9]采用破坏原产品的形式,通过逐层去除材料和照相获得复杂结构内部特征数据。而现在用逆向工程方法可很好解决这一问题。首先用工业CT获得零件扫描数据,然后用专用的逆向软件快速构建零件结构,将模型与原始CAD数模对比分析,可进行全面的检测,避免了制作专用检具的难题,大大节约了成本[10]。随测量精度的提高,逆向技术将逐渐成为曲面检测及复杂零件全面检测的主要方法。

2.4 医学应用

目前逆向工程的医学应用主要集中在以下三个方面:设计和制作可植入假体、外科手术规划及复杂外科手术教学、人体的力学分析研究。其中以设计和制作可植入假体的应用最为广泛[11,12]。一般用CT或磁共振测得dicom格式的数据,在专用软件mimics中对切片信息进行数据处理,通过灰度值处理,构建三维模型或有限元网格模型。逆向工程在医学中的应用,为仿生学研究提供了一种新方法。图6为逆向获得的髌骨数据模型和有限元网格模型。该模型可导入ANSYS或ABAQUS软件中进行人体力学分析。

3 结论

产品数字开发技术是现代工业产品设计开发技术的核心技术之一。随着逆向工程技术的不断发展和完善,逆向工程技术已成为快速消化吸收先进技术、开发新产品的重要方式,并在越来越多的领域中得到应用。本文就逆向设计流程、常用测量设备及其在目前实践领域中的应用作了介绍,对从事逆向设计的工程人员有一定帮助。

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