航天制造業中激光跟蹤技術分析

摘" 要：隨著航天業的不斷發展，我國航天制造領域也引入各類先進技術。激光跟蹤技術作為高精度測量技術不可避免地被引入我國航天系統。該文首先對激光跟蹤測量技術的發展歷程進行介紹，之后簡單地描述激光跟蹤儀的測量原理及使用方法，并從航天器的制造、裝配、數據測量3個角度描述激光跟蹤儀在航天制造業的重要性。最后對航天制造業中的激光跟蹤技術進行總結，并對未來航天制造業的激光跟蹤技術的應用前景進行展望。

關鍵詞：航天制造；激光跟蹤技術；高精度數據測量；測量原理；使用方法

中圖分類號：TN249" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0173-04

Abstract： With the continuous development of the aerospace industry， various advanced technologies have been introduced into the field of aerospace manufacturing in China. As a high-precision measurement technology， laser tracking technology is inevitably introduced into China's space system. In this paper， the development of laser tracking measurement technology is introduced， and then the measurement principle and application method of laser tracker are briefly described. The importance of laser tracker in aerospace manufacturing industry is described from the point of view of spacecraft manufacture， assembly and data measurement. Finally， the laser tracking technology in aerospace manufacturing industry is summarized， and the application prospect of laser tracking technology in aerospace manufacturing industry in the future is prospected.

Keywords： aerospace manufacturing; laser tracking technology; high precision data measurement; measurement principle; usage

隨著中國航天制造技術的不斷發展，我國完成的航天任務舉世矚目，各項航天技術壁壘被不斷地打破[1]，為我國國防事業、科技創新事業打下了堅實的基礎。航天制造產業作為我國機械制造行業的領軍者，需要各式各樣的先進技術來完成生產、裝配、測試等工作，并不斷地革新技術。

航天器作為高端精密產品，對于數據的測量精度要求很高，一般的設備很難得到如此高精度的測量數據。此外高精度的自動化裝配往往也需要相應的測量設備來進行輔助工作，高精度測量設備的使用必不可少。

激光跟蹤儀作為一種高精度空間極坐標測量設備，通過激光測距系統、角度測量系統、跟蹤控制系統幾個部分組成，輔助使用靶球等光學目標反射器來進行目標點的三維坐標測量以及空間圖線的繪制[2]。在航空航天領域中對飛機部組件的尺寸測量及裝配精度的測量，在機床生產行業中對機床的平面度、直線度等尺寸要求，在汽車生產領域中對新式車型的外形面精度測量，在高端機械設備制造中對機器人位置準確度的標定等制造領域，均需用到激光跟蹤儀來進行測量。

1" 激光跟蹤儀概述

激光跟蹤儀將激光作為測距工具，被譽為精密測量領域的掌上明珠，其是一種與反射標靶共同組合使用來進行測距的儀器，可以測量靜止的目標，還可以跟蹤和測量移動目標或者是靜止、移動狀態組合而成的目標。目前世界范圍內三大激光跟蹤儀的品牌是瑞士的LEICA、美國的FARO和API。激光跟蹤儀如圖1—圖3所示。

各激光跟蹤儀的優勢見表1。

1.1" 激光跟蹤技術的發展歷程

激光跟蹤技術起源于美國國家標準與技術研究院（NIST）。Muralikrishnan等[3]對團隊研究的激光跟蹤測量技術進行了總結，包含誤差模型、測量不確定度、性能評估及配套工具裝備研制等許多方面問題的研究，總結出ASME B89.4.19、VDI/VDE 2617-10及ISO 10360-10[4-6]3個性能評估標準，保證了激光跟蹤技術的測量精度與實用性。

隨著激光跟蹤測量理論的不斷發展與完善，1990年瑞士的徠卡公司首先研制出了世界第一臺激光跟蹤儀[7-8]。之后我國航天制造業引進了激光跟蹤設備，并引發了我國激光跟蹤測量技術的研究熱潮。

中科院周維虎等[9-13]對激光跟蹤儀的誤差影響因素以及誤差減小方法進行了研究，并進行激光跟蹤儀的自主研發。

王銅等[14]對激光跟蹤儀測量精度的表達、測試方法進行了介紹，并對激光跟蹤儀標稱精度指標的計算方法進行了推導。

王小龍等[15]對由于測量控制網產生的激光跟蹤儀誤差累積問題進行了分析。

1.2" 激光跟蹤儀的測量原理

以瑞士的LEICA激光跟蹤儀為例，其結構示意圖如圖4所示[16]，主要由垂直和水平角度編碼器、電機及跟蹤器、位置探測器、干涉測距模塊、絕對測距模塊、支撐底座和手持式反射球幾個主要部分組成。

激光跟蹤儀測量原理如圖5所示，其測量方式為球坐標測量，在測量時將激光發射器發射的激光射至手持的反射球上，之后反射球將激光反射回激光跟蹤儀，并通過跟蹤儀的2個角度編碼器測得被測物體上P點的空間距離d、偏置角α、水平角β，建立以激光跟蹤儀位置為坐標圓心的極坐標系，并計算出被測物體P點的空間相對位置，得到該極坐標系下的三維坐標（X，Y，Z）。測量人員通過計算機中給出的計算結果即可知道測點的空間相對位置，之后僅需通過不停地移動反射球來進行相應的數據測量便可得到測量數據，最后完成測量過程。測量方式如圖6所示。

2" 激光跟蹤儀在航天制造業中的應用

航天制造領域中對產品的生產、測量精度要求非常高，且不規則形狀的產品也非常多，使用常規的測量方法很難滿足相應的需求。激光跟蹤儀的引入大大彌補了航天領域在該方面的不足。

激光跟蹤儀在航天產品的機械加工領域、裝配測量領域、實驗設備標定領域均有著廣泛的應用。通過對激光跟蹤儀的使用，航天制造領域中的數據采集、產品驗收及合格性檢測等方面均出現了質的飛躍。

2.1" 在機械加工制造中的應用

在航天器產品加工制造的過程中，為滿足后續的裝配要求，幾個孔之間的孔距、加工的平面度和輪廓度都會有著較高的加工精度要求。加工設備僅能夠保證加工時的精度，不能保證加工完成后的精度。有時一些較為微小的應力釋放、冷變形、熱變形都會使被加工件數據超差，需要返修。傳統的測量方式測量誤差較大，不適合精度過高的測量，通過使用激光跟蹤儀可將測量精度提高1～2個數量級，及時發現加工完成后的不合格品，避免后續因無法裝配，需進行返修而浪費時間。

2.2" 在產品裝配中的應用

航天器的裝配大部分是人工裝配，人工裝配有一定的誤差，且誤差大小不可控，與操作人員的技能水平有關。航天器對于一些裝配后的測量數據較為敏感，尤其是涉及多種零件組合裝配、對氣動外形有影響的裝配、與控制系統相關的裝配均需要裝配后進行裝配數據測量，且要求的測量精度較高。使用激光跟蹤儀可快速且準確地測量出裝配后的測量數據，為設計分析人員的后續精確計算打下堅實基礎。

2.3" 在其他測量設備上的應用

航天器的其他特性測量數據精度要求同樣很高，其測量設備的標定也同樣要求較為精確。通過使用機關跟蹤儀可以對各種需求的航天器特性測量臺的位置、方向和空間坐標進行標定，為后續對航天器數據測量鋪平了道路。

3" 結束語

隨著我國航天制造業的不斷發展，新式的航天器層出不窮，對于數據的測量精度要求也越來越高，激光跟蹤儀在航天制造業的使用也越來越廣泛。此外，隨著自動化、數字化系統和物聯網系統的不斷發展與進步，高精度加工、高精度檢測、高精度裝配也逐漸開始進行應用。在制造與裝配中進行結果檢測，將會大大降低生產的周期，節省了時間成本。

在后續的制造業發展中，將激光跟蹤測量技術與自動化加工、自動化裝配和自動化檢測等技術結合起來，將會擁有廣泛的應用前景。此外，將激光跟蹤測量技術與誤差補償技術進行整合，也可以有效地提高產品的生產精度，提高產品的品控。總而言之，激光跟蹤測量技術在航天制造業的應用不僅是當下的使用，還擁有未來的發展。

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