激光跟蹤儀在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

司力瓊　徐曉東　柴艷紅

（上海航天電子技術(shù)研究所，上?！?01109）

激光跟蹤儀在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

司力瓊徐曉東柴艷紅

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

光學(xué)測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量應(yīng)用最便捷、最廣泛的方法之一。作為精密光學(xué)測(cè)量設(shè)備，激光跟蹤儀具有安裝快捷、操作簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)掃描測(cè)量、測(cè)量精度及效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了激光跟蹤儀測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成，簡(jiǎn)述了激光跟蹤儀的工作、測(cè)量原理，綜述了在航空航天、動(dòng)力、能源、精密制造與裝配領(lǐng)域利用激光跟蹤儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量的一些應(yīng)用案例，并簡(jiǎn)要分析了激光跟蹤測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向。

激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大型結(jié)構(gòu)件裝配

1　引言

在航空航天、船舶工業(yè)領(lǐng)域中，飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭、艦艇等大型船器產(chǎn)品，其推進(jìn)、制導(dǎo)、控制等功能、性能要求的實(shí)現(xiàn)，完全依賴于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與要素控制，因此對(duì)船器結(jié)構(gòu)的外形尺寸、結(jié)構(gòu)重量、裝配關(guān)系、配合狀態(tài)、姿態(tài)實(shí)現(xiàn)等提出了較高的要求。同樣在風(fēng)電、水力、汽車領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)件外形尺寸、裝配質(zhì)量決定著其產(chǎn)品的使用性能。一般而言，在功能結(jié)構(gòu)件的研制過(guò)程中，需對(duì)生產(chǎn)制造精度（形狀公差）、現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程中的空間位置精度（方向公差、位置公差、跳動(dòng)公差）進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量、控制、調(diào)整，從而有效保證產(chǎn)品的研制質(zhì)量。

圖1　激光跟蹤儀測(cè)量原理

目前，光學(xué)測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量應(yīng)用最便捷、最廣泛的方法之一。激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀、攝影測(cè)量是光學(xué)測(cè)量技術(shù)中最具有代表性的測(cè)量設(shè)備，因其優(yōu)越的測(cè)量性能、簡(jiǎn)單有效的使用方法得到了廣泛應(yīng)用發(fā)展。其中，激光跟蹤儀是近年來(lái)才逐漸發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)量?jī)x器，它集激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等于一體，可對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，具有安裝快捷、操作簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)掃描測(cè)量、測(cè)量精度及效率高等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。目前，LEICA、API、FARO等廠商研制的激光跟蹤儀在精密測(cè)量場(chǎng)合中應(yīng)用最為廣泛。

2　激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀主要由激光跟蹤頭、靶標(biāo)反射球、控制計(jì)算機(jī)和測(cè)量軟件構(gòu)成。激光跟蹤頭是激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)中的重要組成部分，主要功能是隨著靶標(biāo)反射球位置的移動(dòng)，改變測(cè)量光束的方向，使測(cè)量光束始終對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)反射球。激光跟蹤頭內(nèi)部通常設(shè)置有一套激光干涉系統(tǒng)、兩套角度編碼器、電機(jī)以及光電接收器件等。靶標(biāo)反射球按反射類型大致分為平面反射球、實(shí)心球及空心球三種；按外徑尺寸有0.5英寸、0.875英寸、1.5英寸及3英寸等幾種［3，4］。其中直徑1.5英寸的空心球應(yīng)用最為廣泛。

激光跟蹤儀是典型的球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)空間目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量是通過(guò)激光跟蹤儀坐標(biāo)原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的徑向長(zhǎng)度和空間方位角（水平角和垂直角）來(lái)確定。如圖1所示，激光跟蹤儀坐標(biāo)原點(diǎn)為O點(diǎn)，被測(cè)空間目標(biāo)點(diǎn)為P點(diǎn)，測(cè)量過(guò)程中激光干涉儀測(cè)量O點(diǎn)到P點(diǎn)的徑向長(zhǎng)度r，兩個(gè)高精度角度編碼器分別測(cè)量O點(diǎn)到P點(diǎn)的水平角α和垂直角β，P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z）可由α、β和r計(jì)算得到［5］。

3　激光跟蹤儀在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

由于高精度和良好的連續(xù)跟蹤、自動(dòng)測(cè)量、斷光續(xù)接等功能，使激光跟蹤儀成為較為理想的大尺寸測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于航空航天、動(dòng)力、能源、精密制造與裝配領(lǐng)域。

3.1航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

有文獻(xiàn)［2］從“轉(zhuǎn)站”帶來(lái)的效率低等問(wèn)題考慮，用激光跟蹤儀水平測(cè)量方法，對(duì)飛機(jī)全機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行了批次性測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)與普通光學(xué)儀器對(duì)比，反映出機(jī)翼安裝情況一致、數(shù)值偏差量不大的結(jié)論。激光跟蹤儀應(yīng)用在某型號(hào)無(wú)人機(jī)外翼安裝角的數(shù)據(jù)測(cè)量上，對(duì)1～8架飛機(jī)外翼安裝角的數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量及分析，得到數(shù)據(jù)結(jié)果偏差趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)對(duì)稱性結(jié)論［6］?？湛停ˋirbus）利用API的T3激光跟蹤儀代替全站儀與經(jīng)緯儀，對(duì)飛機(jī)機(jī)身零部件空間坐標(biāo)位置進(jìn)行了精確測(cè)量，提高了機(jī)身結(jié)構(gòu)件的配合質(zhì)量。有文獻(xiàn)［7］對(duì)針對(duì)飛機(jī)水平測(cè)量、三維形貌測(cè)量設(shè)計(jì)出相應(yīng)的測(cè)量方案，對(duì)激光跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳盡的闡述，并就系統(tǒng)誤差來(lái)源及數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析和探討。

在航天領(lǐng)域中，利用激光跟蹤儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性可測(cè)量衛(wèi)星太陽(yáng)電池帆板展開運(yùn)動(dòng)、天線展開運(yùn)動(dòng)、空間機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及軌跡的測(cè)量等，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算與分析，以考核實(shí)際特性與設(shè)計(jì)理論特性的符合程度；也可利用激光跟蹤儀測(cè)量航天器推進(jìn)、姿控、有效載荷儀器設(shè)備安裝精度［8］。

3.2動(dòng)力、能源領(lǐng)域應(yīng)用

將激光跟蹤測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)洞調(diào)試中，既提高了測(cè)量的精度，又加快了調(diào)試速度［9］。對(duì)于曲面變化不規(guī)則的水輪機(jī)大型葉片，利用激光跟蹤儀進(jìn)而精確測(cè)量各個(gè)截面葉片外輪廓、葉片頭部外形、參考脊線、葉片軸線等。除對(duì)結(jié)構(gòu)外形尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)之外，利用重構(gòu)出來(lái)的三維模型與提取的相關(guān)技術(shù)參數(shù)可對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)力性能、強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證［10，11］。

3.3精密制造、裝配領(lǐng)域應(yīng)用

采用激光跟蹤儀，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、定位點(diǎn)多的工裝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)尺寸測(cè)量，為產(chǎn)品研制質(zhì)量提供可靠保證［12］。將激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用在大型機(jī)床的檢測(cè)方法中，能精確、高效地對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌直線精度、磨齒機(jī)伺服軸重復(fù)定位精度、機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度及跳動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，有效提高了機(jī)床生產(chǎn)制造精度，并有力保證了設(shè)備維護(hù)、安裝使用性能［13，14］。在對(duì)材質(zhì)為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、外形尺寸為3×4×40m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉進(jìn)行測(cè)量時(shí)，利用激光跟蹤儀檢測(cè)滿足了風(fēng)機(jī)葉片平整度亞毫米級(jí)精度的要求［15］。利用激光跟蹤儀對(duì)天基X射線望遠(yuǎn)鏡坐標(biāo)系與星敏感器的安裝進(jìn)行測(cè)量，有效提高了星敏感器的工作精度［16］。

4　激光跟蹤測(cè)試技術(shù)發(fā)展方向

隨著在精密制造、裝配及檢測(cè)等工業(yè)測(cè)量和精密工程測(cè)量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，激光跟蹤測(cè)量方法得到了迅速發(fā)展，激光跟蹤儀甚至被用于其它測(cè)量方法精度的檢驗(yàn)工具。隨著工業(yè)化水平與自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，激光跟蹤測(cè)試技術(shù)將朝向以下方向發(fā)展。

（1）激光跟蹤儀精度的有效評(píng)定方法。

激光跟蹤儀本身的測(cè)量精度評(píng)定是精密測(cè)量發(fā)展方想之一。利用有效、快捷的精度評(píng)定方法在激光跟蹤儀服役環(huán)境中準(zhǔn)確給出其精度指標(biāo)，對(duì)激光跟蹤儀測(cè)量的重復(fù)性、準(zhǔn)確性進(jìn)行快捷判定，將有利于提升激光跟蹤儀的應(yīng)用效率與使用效能［17］。

（2）不規(guī)則內(nèi)腔盲區(qū)測(cè)量技術(shù)。

激光跟蹤測(cè)量的前提條件是靶標(biāo)球的空間位置能夠被激光跟蹤頭準(zhǔn)確跟蹤。對(duì)于一些復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)件（火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔曲面、波導(dǎo)管內(nèi)部不規(guī)則結(jié)構(gòu)），則無(wú)法進(jìn)行精確檢測(cè)。因此，提高靶標(biāo)球可接觸范圍的延伸能力，將極大地拓展激光跟蹤儀的應(yīng)用場(chǎng)合。

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