激光跟蹤儀在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)測量中的應(yīng)用

司力瓊　徐曉東　柴艷紅

【摘 要】光學(xué)測量技術(shù)是現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)測量應(yīng)用最便捷、最廣泛的方法之一。作為精密光學(xué)測量設(shè)備，激光跟蹤儀具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優(yōu)點。本文介紹了激光跟蹤儀測試系統(tǒng)的構(gòu)成，簡述了激光跟蹤儀的工作、測量原理，綜述了在航空航天、動力、能源、精密制造與裝配領(lǐng)域利用激光跟蹤儀進行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)測量的一些應(yīng)用案例，并簡要分析了激光跟蹤測試技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】激光跟蹤儀 現(xiàn)場測量 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、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭、艦艇等大型船器產(chǎn)品，其推進、制導(dǎo)、控制等功能、性能要求的實現(xiàn)，完全依賴于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點與要素控制，因此對船器結(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)件的研制過程中，需對生產(chǎn)制造精度（形狀公差）、現(xiàn)場裝配過程中的空間位置精度（方向公差、位置公差、跳動公差）進行嚴格的測量、控制、調(diào)整，從而有效保證產(chǎn)品的研制質(zhì)量。

目前，光學(xué)測量技術(shù)是現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)測量應(yīng)用最便捷、最廣泛的方法之一。激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀、攝影測量是光學(xué)測量技術(shù)中最具有代表性的測量設(shè)備，因其優(yōu)越的測量性能、簡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才逐漸發(fā)展起來的新型測量儀器，它集激光干涉測距技術(shù)、光電檢測技術(shù)、精密機械技術(shù)、計算機及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等于一體，可對空間運動目標進行跟蹤并實時測量運動目標的空間三維坐標，具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優(yōu)點[1，2]。目前，LEICA、API、FARO等廠商研制的激光跟蹤儀在精密測量場合中應(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、靶標反射球、控制計算機和測量軟件構(gòu)成。激光跟蹤頭是激光跟蹤測量系統(tǒng)中的重要組成部分，主要功能是隨著靶標反射球位置的移動，改變測量光束的方向，使測量光束始終對準靶標反射球。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、電機以及光電接收器件等。靶標反射球按反射類型大致分為平面反射球、實心球及空心球三種；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測量系統(tǒng)，對空間目標點三維坐標的測量是通過激光跟蹤儀坐標原點到目標點的徑向長度和空間方位角（水平角和垂直角）來確定。如圖1所示，激光跟蹤儀坐標原點為O點，被測空間目標點為P點，測量過程中激光干涉儀測量O點到P點的徑向長度r，兩個高精度角度編碼器分別測量O點到P點的水平角α和垂直角β，P點的三維坐標（x，y，z）可由α、β和r計算得到[5]。

3激光跟蹤儀在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)測量中的應(yīng)用

由于高精度和良好的連續(xù)跟蹤、自動測量、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量儀器，廣泛應(yīng)用于航空航天、動力、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[2]從“轉(zhuǎn)站”帶來的效率低等問題考慮，用激光跟蹤儀水平測量方法，對飛機全機數(shù)據(jù)進行了批次性測量，并通過數(shù)據(jù)與普通光學(xué)儀器對比，反映出機翼安裝情況一致、數(shù)值偏差量不大的結(jié)論。激光跟蹤儀應(yīng)用在某型號無人機外翼安裝角的數(shù)據(jù)測量上，對1～8架飛機外翼安裝角的數(shù)據(jù)進行了測量及分析，得到數(shù)據(jù)結(jié)果偏差趨勢與結(jié)構(gòu)對稱性結(jié)論[6]。空客（Airbus）利用API的T3激光跟蹤儀代替全站儀與經(jīng)緯儀，對飛機機身零部件空間坐標位置進行了精確測量，提高了機身結(jié)構(gòu)件的配合質(zhì)量。有文獻[7]對針對飛機水平測量、三維形貌測量設(shè)計出相應(yīng)的測量方案，對激光跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳盡的闡述，并就系統(tǒng)誤差來源及數(shù)據(jù)處理進行了分析和探討。

在航天領(lǐng)域中，利用激光跟蹤儀的動態(tài)測量特性可測量衛(wèi)星太陽電池帆板展開運動、天線展開運動、空間機器人關(guān)節(jié)臂的運動姿態(tài)及軌跡的測量等，根據(jù)測量數(shù)據(jù)對運動特性進行計算與分析，以考核實際特性與設(shè)計理論特性的符合程度；也可利用激光跟蹤儀測量航天器推進、姿控、有效載荷儀器設(shè)備安裝精度[8]。

3.2 動力、能源領(lǐng)域應(yīng)用

將激光跟蹤測量技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)洞調(diào)試中，既提高了測量的精度，又加快了調(diào)試速度[9]。對于曲面變化不規(guī)則的水輪機大型葉片，利用激光跟蹤儀進而精確測量各個截面葉片外輪廓、葉片頭部外形、參考脊線、葉片軸線等。除對結(jié)構(gòu)外形尺寸進行檢驗之外，利用重構(gòu)出來的三維模型與提取的相關(guān)技術(shù)參數(shù)可對風(fēng)機葉片的動力性能、強度等相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析和驗證[10，11]。

3.3 精密制造、裝配領(lǐng)域應(yīng)用

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

4 激光跟蹤測試技術(shù)發(fā)展方向

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

（1）激光跟蹤儀精度的有效評定方法

激光跟蹤儀本身的測量精度評定是精密測量發(fā)展方向之一。利用有效、快捷的精度評定方法在激光跟蹤儀服役環(huán)境中準確給出其精度指標，對激光跟蹤儀測量的重復(fù)性、準確性進行快捷判定，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)測量技術(shù)

激光跟蹤測量的前提條件是靶標球的空間位置能夠被激光跟蹤頭準確跟蹤。對于一些復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)件（火箭發(fā)動機內(nèi)腔曲面、波導(dǎo)管內(nèi)部不規(guī)則結(jié)構(gòu)），則無法進行精確檢測。因此，提高靶標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)用場合。

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