激光跟踪仪在现场结构参数测量中的应用

司力琼　徐晓东　柴艳红

【摘 要】光学测量技术是现场结构参数测量应用最便捷、最广泛的方法之一。作为精密光学测量设备，激光跟踪仪具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点。本文介绍了激光跟踪仪测试系统的构成，简述了激光跟踪仪的工作、测量原理，综述了在航空航天、动力、能源、精密制造与装配领域利用激光跟踪仪进行现场结构参数测量的一些应用案例，并简要分析了激光跟踪测试技术的发展方向。

【关键词】激光跟踪仪 现场测量 大型结构件 装配

1 引言

在航空航天、船舶工业领域中，飞机、导弹、卫星、火箭、舰艇等大型船器产品，其推进、制导、控制等功能、性能要求的实现，完全依赖于优异的结构特点与要素控制，因此对船器结构的外形尺寸、结构重量、装配关系、配合状态、姿态实现等提出了较高的要求。同样在风电、水力、汽车领域中，结构件外形尺寸、装配质量决定着其产品的使用性能。一般而言，在功能结构件的研制过程中，需对生产制造精度（形状公差）、现场装配过程中的空间位置精度（方向公差、位置公差、跳动公差）进行严格的测量、控制、调整，从而有效保证产品的研制质量。

目前，光学测量技术是现场结构参数测量应用最便捷、最广泛的方法之一。激光跟踪仪、经纬仪、摄影测量是光学测量技术中最具有代表性的测量设备，因其优越的测量性能、简单有效的使用方法得到了广泛应用发展。其中，激光跟踪仪是近年来才逐渐发展起来的新型测量仪器，它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量运动目标的空间三维坐标，具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点[1，2]。目前，LEICA、API、FARO等厂商研制的激光跟踪仪在精密测量场合中应用最为广泛。

2 激光跟踪仪的工作原理

激光跟踪仪主要由激光跟踪头、靶标反射球、控制计算机和测量软件构成。激光跟踪头是激光跟踪测量系统中的重要组成部分，主要功能是随着靶标反射球位置的移动，改变测量光束的方向，使测量光束始终对准靶标反射球。激光跟踪头内部通常设置有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电接收器件等。靶标反射球按反射类型大致分为平面反射球、实心球及空心球三种；按外径尺寸有0.5英寸、0.875英寸、1.5英寸及3英寸等几种[3，4]。其中直径1.5英寸的空心球应用最为广泛。

激光跟踪仪是典型的球坐标测量系统，对空间目标点三维坐标的测量是通过激光跟踪仪坐标原点到目标点的径向长度和空间方位角（水平角和垂直角）来确定。如图1所示，激光跟踪仪坐标原点为O点，被测空间目标点为P点，测量过程中激光干涉仪测量O点到P点的径向长度r，两个高精度角度编码器分别测量O点到P点的水平角α和垂直角β，P点的三维坐标（x，y，z）可由α、β和r计算得到[5]。

3激光跟踪仪在现场结构参数测量中的应用

由于高精度和良好的连续跟踪、自动测量、断光续接等功能，使激光跟踪仪成为较为理想的大尺寸测量仪器，广泛应用于航空航天、动力、能源、精密制造与装配领域。

3.1 航空航天领域应用

有文献[2]从“转站”带来的效率低等问题考虑，用激光跟踪仪水平测量方法，对飞机全机数据进行了批次性测量，并通过数据与普通光学仪器对比，反映出机翼安装情况一致、数值偏差量不大的结论。激光跟踪仪应用在某型号无人机外翼安装角的数据测量上，对1～8架飞机外翼安装角的数据进行了测量及分析，得到数据结果偏差趋势与结构对称性结论[6]。空客（Airbus）利用API的T3激光跟踪仪代替全站仪与经纬仪，对飞机机身零部件空间坐标位置进行了精确测量，提高了机身结构件的配合质量。有文献[7]对针对飞机水平测量、三维形貌测量设计出相应的测量方案，对激光跟踪系统的关键技术进行了详尽的阐述，并就系统误差来源及数据处理进行了分析和探讨。

在航天领域中，利用激光跟踪仪的动态测量特性可测量卫星太阳电池帆板展开运动、天线展开运动、空间机器人关节臂的运动姿态及轨迹的测量等，根据测量数据对运动特性进行计算与分析，以考核实际特性与设计理论特性的符合程度；也可利用激光跟踪仪测量航天器推进、姿控、有效载荷仪器设备安装精度[8]。

3.2 动力、能源领域应用

将激光跟踪测量技术应用到风洞调试中，既提高了测量的精度，又加快了调试速度[9]。对于曲面变化不规则的水轮机大型叶片，利用激光跟踪仪进而精确测量各个截面叶片外轮廓、叶片头部外形、参考脊线、叶片轴线等。除对结构外形尺寸进行检验之外，利用重构出来的三维模型与提取的相关技术参数可对风机叶片的动力性能、强度等相关数据进行分析和验证[10，11]。

3.3 精密制造、装配领域应用

采用激光跟踪仪，对结构复杂、体积大、定位点多的工装进行现场尺寸测量，为产品研制质量提供可靠保证[12]。将激光跟踪测量系统应用在大型机床的检测方法中，能精确、高效地对机床导轨直线精度、磨齿机伺服轴重复定位精度、机床主轴的回转精度及跳动等参数进行检测，有效提高了机床生产制造精度，并有力保证了设备维护、安装使用性能[13，14]。在对材质为玻璃纤维增强环氧树脂、外形尺寸为3×4×40m的风力发电机的扇叶进行测量时，利用激光跟踪仪检测满足了风机叶片平整度亚毫米级精度的要求[15]。利用激光跟踪仪对天基X射线望远镜坐标系与星敏感器的安装进行测量，有效提高了星敏感器的工作精度[16]。

4 激光跟踪测试技术发展方向

随着在精密制造、装配及检测等工业测量和精密工程测量领域的广泛应用，激光跟踪测量方法得到了迅速发展，激光跟踪仪甚至被用于其它测量方法精度的检验工具。随着工业化水平与自动化技术的日益发展，激光跟踪测试技术将朝向以下方向发展。

（1）激光跟踪仪精度的有效评定方法

激光跟踪仪本身的测量精度评定是精密测量发展方向之一。利用有效、快捷的精度评定方法在激光跟踪仪服役环境中准确给出其精度指标，对激光跟踪仪测量的重复性、准确性进行快捷判定，将有利于提升激光跟踪仪的应用效率与使用效能[17]。

（2）不规则内腔盲区测量技术

激光跟踪测量的前提条件是靶标球的空间位置能够被激光跟踪头准确跟踪。对于一些复杂内腔结构件（火箭发动机内腔曲面、波导管内部不规则结构），则无法进行精确检测。因此，提高靶标球可接触范围的延伸能力，将极大地拓展激光跟踪仪的应用场合。

参考文献：

[1]张春富，张军，唐文彦等.激光跟踪仪在大尺寸工件几何参数测量中的应用[J].工具技术，2002，36（l5），26-28.

[2]武鹏，黄庆华.激光跟踪仪在全机水平测量的应用[J].洪都科技，2010，3，30-32.

[3]于成浩，柯明，赵振堂. 提高激光跟踪仪测量精度的措施[J].测绘科学，2007，32（2），54-56.

[4]李杏华. 激光跟踪系统的设计[D].天津：天津大学博士学位论文，2003.

[5]张福民，曲兴华，戴建芳.现场大尺寸测量量值溯源[J].天 津 大 学 学 报，2008，41（10），1167-1171.

[6]蔡闻峰，周惠群，何颖.激光跟踪仪在无人飞机总装中的应用[J].工具技术，2006，40（l8）， 77-8.

[7]徐凤.基于激光跟踪原理的飞机形面测量技术研究[D].长春：长春理工大学，硕士论文，2005.

[8]刘建新，马强，杨再华.激光跟踪测量系统及其在航天器研制中的应用[J].航天器环境工程，2008，25（3），286-290.

[9]王培源，吴运刚，张俊等.激光跟踪测量技术在风洞调试中的应用研究[J].CARS-2013-1537

[10]王卫军，李晓星，方程.激光跟踪仪在风机叶片外形测量中的应用[J].制造技术研究，2009，6，26-29.

[11]苏艳，谢丽娜，田世颖.激光跟踪仪测量水轮机叶片的方法[J].机械工程师，2011，10，128-129.

[12]王勇，激光跟踪仪在工装检测中的应用[J].工业计量，2010，20（6），28-29.

[13]陈素艳，闫勇刚，吕杰. 激光跟踪测量系统的原理及其在机床检测中的应用[J].工具技术，2008，42（10），148-150.

[14]肖剑，郭宝安.激光跟踪仪在机床误差测量与分析中的应用[J].机械工程师，2011，10，88-90

[15]黄浩，王晏民，范亮.基于激光跟踪测量系统的叶片平整度检测[J].北京建筑工程学院学报，2010，26（3），25-28.

[16]周维虎，崔惠绒，丁金滨.基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术[J].红外与激光工程，2008，37，250-252.

[17]于成浩，柯明，赵振堂.激光跟踪仪测量精度的评定[J].测绘工程，2006，15（6），39-42.