激光跟蹤儀航空應(yīng)用

1、激光跟蹤儀系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：介紹目前飛機裝配、制造中具有代表性的計算機輔助測量系統(tǒng)設(shè)備激光跟蹤儀系統(tǒng)的工作原理及功能，并結(jié)合實例介紹了激光跟蹤儀系統(tǒng)的應(yīng)用，以及激光跟蹤儀系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。關(guān) 鍵 詞：計算機輔助測量系統(tǒng) 激光跟蹤儀 裝配工裝 全機水平測量1.激光跟蹤儀系統(tǒng)1.1激光跟蹤儀系統(tǒng)的概念激光跟蹤測量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機械技術(shù)、計算機及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進技術(shù)，對空間運動目標(biāo)進行跟蹤并實時測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、

2、安裝快捷、操作簡便等特點，適合于大尺寸工件配裝測量，測量靜止目標(biāo)，跟蹤和測量移動目標(biāo)或它們的組合。SMART310是Leica公司在1990年生產(chǎn)的第一臺激光跟蹤儀，1993年Leica公司 又推出了SMART310的第二代產(chǎn)品，其后，Leica公司還推出了LT/LTD系列的激光跟蹤儀，以滿足不同的工業(yè)生產(chǎn)需要。激光跟蹤儀因不同領(lǐng)域需要，其種類也有很多種，在此僅以航空領(lǐng)域應(yīng)用較多的一類激光跟蹤儀為對象進行介紹。圖11.2激光跟蹤儀系統(tǒng)的組成激光跟蹤儀的實質(zhì)是一臺能激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀，區(qū)別之處在于它沒有望遠鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個軸，三軸相交的

3、中心是測量坐標(biāo)系的原點。系統(tǒng)的硬件主要組成部分包括：傳感器頭、控制器、電動機和傳感器電纜、帶LAN電纜的應(yīng)用計算機以及反射器。見圖2圖2鳥巢8 Z- p1 W) K2 三維網(wǎng)技術(shù)論壇(1) 傳感器頭：讀取角度和距離測量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉(zhuǎn)。每根軸具有一個編碼器用于角度測量和一只直接供電的DC電動機來進行遙控移動。傳感器頭的油缸包含了一個測量距離差的單頻激光干涉測距儀（IFM），還有一個絕對距離測量裝置（ADM）。激光束通過安裝在傾斜軸和旋轉(zhuǎn)軸交叉處的一面鏡子直指反射器。激光束也用作為儀器的平行瞄正軸。挨著激光干涉儀的光電探測器（PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。見圖

4、3圖32) 控制器: 包含電源、編碼器和干涉儀用計數(shù)器、電動機放大器、跟蹤處理器和網(wǎng)卡跟蹤處理器將跟蹤器內(nèi)的信號轉(zhuǎn)化成角度和距離觀測值，通過局域網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用計算機上，同理從計算機中發(fā)出的指令也可以通過跟蹤處理器進行轉(zhuǎn)換再傳送給跟蹤器，完成測量操作。2 F$ ( v6 o( T# c- $ x- n(3) 電纜：傳感器電纜和電動機電纜分別用來完成傳感器和電動機與控制器之間的連接。LAN電纜則用于跟蹤處理器和應(yīng)用計算機之間的連接。(4) 應(yīng)用計算機：加載了工業(yè)用的專業(yè)配套軟件，用來發(fā)出測量指令和接收測量數(shù)據(jù)。(5) 反射器（靶標(biāo)）：是激光跟蹤測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。作為光學(xué)逆反射器，它把所

5、有沿光軸方向入射的光線沿原路反射回去，進入干涉系統(tǒng)，與參考光發(fā)生干涉實現(xiàn)對位移的高精度測量；作為測量系統(tǒng)的測頭，它直接與被測物體接觸，用目標(biāo)反射鏡中心的坐標(biāo)值來描述被測對象的形狀和尺寸。靶標(biāo)有3種不同型號（見表一）。本系統(tǒng)中采用玻璃菱鏡反射器。  I- e% 8 s  |; c% J) Z) Y三維|cad|機械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa(6) 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數(shù)據(jù)需要用來在計算激光反射時是必需的，并通過串行接口被傳送給聯(lián)機的計算機應(yīng)用程序。7) 測量附

6、件：包括三角支架、手推服務(wù)小車等。支架用來固定激光跟蹤儀，調(diào)整高度，保證各種測量模式的穩(wěn)定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動激光跟蹤儀。手推服務(wù)小車則可裝載控制器等設(shè)備，運送方便快捷。1.3激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理要介紹激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理就要從兩部分進行介紹：激光跟蹤的原理和激光跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)測量的原理。1.3.1激光跟蹤的原理當(dāng)跟蹤系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，如圖4 所示，由激光發(fā)生器射出的光束，經(jīng)過干涉光路和分光鏡，被跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射到目標(biāo)鏡中心。沿目標(biāo)反射鏡中心入射的光線按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光鏡反射到光電位置檢測器的中心，位置檢測器輸出零電壓信號，此時控制電路沒有信號輸出到電機。

7、當(dāng)目標(biāo)反射鏡運動一個位移量后，如圖5 所示。此時光束不再從目標(biāo)鏡中心入射，從而目標(biāo)反射鏡返回的光束與入射光平行，兩者相距2。返回光經(jīng)過分光鏡，一部分落在位置檢測器上，此時光斑中心將偏離位置檢測器中心，隨即產(chǎn)生一個偏差信號，該信號經(jīng)放大調(diào)節(jié)后通過伺服控制回路控制電機帶動轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動，使照射到目標(biāo)反射鏡的光束方向發(fā)生變化，直至入射光通過目標(biāo)反射鏡的中心，使系統(tǒng)重新達到跟蹤平衡狀態(tài)。1.3.2激光跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)測量的原理首先以跟蹤頭中心為原點，建立球坐標(biāo)系，如圖6 所示。設(shè)P（x，y，z）為被測空間點假設(shè)點P到點O的距離為L，OP與Z軸的夾角為，OP在xy平面內(nèi)的投影與x軸的夾角為，則點P（x，y，z）

8、的表達式為：其中，、的值由安裝在跟蹤頭中的兩個編碼器給出，L的值通過安裝在激光頭中的激光干涉儀獲得。角度測量部分：其工作原理類似于電子經(jīng)緯儀、馬達驅(qū)動式全站儀的角度測量裝置，包括水平度盤、垂直度盤、步進馬達及讀數(shù)系統(tǒng)，由于具有跟蹤測量技術(shù)，它的動態(tài)性能較好。激光干涉法測距原理為：由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作為干涉參考光，S2作為測量光。當(dāng)S2經(jīng)目標(biāo)反射鏡反射回來時，與S1匯合成相干光束。若兩列光S1和S2的光程差為n（為波長，n為零或正整數(shù)），實際合成光的振幅是兩個分振幅之和，光強最大，出現(xiàn)明條紋。若S1 和S2 的光程差為/2（或半波長的奇數(shù)倍）時，合

9、成光的振幅和為零，此時光強最小，出現(xiàn)暗條紋。所以當(dāng)目標(biāo)反射鏡在空間運動時，由于S1 和S2 光程差的變化，明暗相間的條紋也會發(fā)生變化。激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后由計數(shù)器計數(shù)，實現(xiàn)對位移變化量的檢測。由以上原理可知激光干涉儀為增量碼測量系統(tǒng)，因此測量前必須預(yù)設(shè)初值。跟蹤頭上有一個固定點叫鳥巢，測量開始時，首先將目標(biāo)反射鏡置于該固定點上，該點與跟蹤頭中心的距離是固定的，計算機自動將初值置為該距離值，然后即可移動目標(biāo)反射鏡進行空間點的測量。由于激光干涉儀是增量碼儀器，所以在測量過程中一旦發(fā)生丟光，干涉儀就會停止計數(shù)，測量就無法

10、繼續(xù)，整個測量過程就必須重新開始。此外，測量系統(tǒng)給出的三維坐標(biāo)值是目標(biāo)反射鏡的中心位置，理論上目標(biāo)反射鏡的中心均與其外面的球形外殼中心重合，所以要獲得被測點的實際坐標(biāo)值還要對直接測量值進行半徑補償。2.激光跟蹤儀系統(tǒng)航空領(lǐng)域的應(yīng)用2.1航空技術(shù)的發(fā)展航空制造領(lǐng)域?qū)τ跍?zhǔn)確與精度有著極高的要求，即便是大型的部件，也需要極其精確地測量、定位，這樣才能保證航空器的安全性?？梢哉f，航空航天領(lǐng)域?qū)τ跍y量精度的要求，代表了測量領(lǐng)域的最高科技和最高標(biāo)準(zhǔn)。隨著航空制造業(yè)的迅速發(fā)展，飛機裝配工裝制造技術(shù)也發(fā)生了很大變革，由原來的模擬量傳遞協(xié)調(diào)工裝制造發(fā)展到數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)工裝制造，激光跟蹤儀的廣泛應(yīng)用充分說明了這一

11、點。將激光跟蹤儀用于飛機型架的安裝和檢測，使型架的設(shè)計、制造和檢測的技術(shù)水平達到了一個新的高度，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計、制造、檢驗（即CAD/CAM/CAI）一體化。2.2激光跟蹤儀系統(tǒng)航空領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展在航天航空制造業(yè)領(lǐng)域，飛行器具有外形尺寸及重量大、外部結(jié)構(gòu)特殊、部件之間相互位置關(guān)系要求嚴(yán)格等特點。飛行器的裝配通常是在各部件分別安裝后再進行總體裝配，在部裝的某些環(huán)節(jié)和總裝的整個過程中都需要進行嚴(yán)格的檢測。在飛行器裝配過程中的測量誤差可能會導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果，因此必須要確保航天航空領(lǐng)域測量的精確性。激光跟蹤測量系統(tǒng)的現(xiàn)場性和實時性以及它的高精度性都滿足了飛機行架的定位安裝，飛機外形尺寸的檢測，零部

12、件的檢測，飛機的維修等工程項目的需要。如測量一架大型飛機的內(nèi)外形尺寸，首先要確定整架飛機的空間坐標(biāo)，保證所要測量到的外形尺寸空間點都在一個坐標(biāo)系中，要求布置足夠的測站，這些測站就保證了飛機上、下、左、右、前、后等整個外形都在激光跟蹤儀測量范圍內(nèi)。其次要保證飛機處于靜止?fàn)顟B(tài)，測量過程中不能產(chǎn)生移動。激光跟蹤儀在每一個測站測量某一個區(qū)域的飛機外形坐標(biāo)點，將各個測站的飛機外形坐標(biāo)連接起來就構(gòu)成整架飛機的外形尺寸坐標(biāo)，將這些點處理后就形成了飛機外形的數(shù)字模型。激光跟蹤測量系統(tǒng)掃描范圍大，采集數(shù)據(jù)速度快，數(shù)據(jù)采集量大，精度高，大大提高了工作效率。激光跟蹤系統(tǒng)最早在我國的應(yīng)用就是應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，199

13、6年，上飛、沈飛集團在我國第一次引進了SMART310激光跟蹤系統(tǒng)。隨著技術(shù)水平的提高，航空制造領(lǐng)域?qū)す飧檭x的應(yīng)用越來越廣泛。在此就激光跟蹤儀在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的飛機裝配工裝制造中和全機水平測量的應(yīng)用進行介紹。2.3在飛機裝配工裝制造中的應(yīng)用2.3.1飛機工裝安裝有以下特點:（1）多臺激光跟蹤儀同時進行測量安裝型架;（2） 型架尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定位件多，安裝周期長，且安裝好后都要按規(guī)定進行定檢;（3） 型架上需安裝的各定位件上都有OTP點，OTP點的標(biāo)識及坐標(biāo)值由設(shè)計者在工裝圖紙上列出。2.3.2飛機工裝安裝的流程:工裝安裝時，流程見下圖7圖71） 安裝前準(zhǔn)備:測量環(huán)境應(yīng)符合儀器使

14、用要求；激光跟蹤儀應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進行預(yù)熱、校準(zhǔn)、標(biāo)尺測量等，保證其滿足測量要求。在實際測量時，考慮溫、濕度的變化進行補償；工裝框架已完成安裝，精度滿足要求。2） 建立工裝坐標(biāo)系:按工裝圖紙的要求通過坐標(biāo)基準(zhǔn)點建立標(biāo)準(zhǔn)溫度下的工裝坐標(biāo)系。對于裝配型架，理論上需設(shè)定在空間上不共線的3個點建立工裝坐標(biāo)系，這3個點位于型架的主體骨架上，且在型架上的安裝面應(yīng)是最大投影面。3個TB點應(yīng)最大限度地包容整個工裝的主體結(jié)構(gòu)，并要考慮視線的開敞性、安裝位置的穩(wěn)定性。對于大型型架，通常在型架上布置4 個以上TB點來建立工裝坐標(biāo)系。建立工裝坐標(biāo)系的目的，就是在該坐標(biāo)系下建立ERS（增強參考系統(tǒng)(Enhanced Ref

15、erence system，ERS)是為使工裝獲得正確比例的一種手段。）的參考文件。方法是在工裝框架上每隔200400mm安裝標(biāo)準(zhǔn)工具球。在工裝飛機坐標(biāo)系建立后，將這些工具球收集在一個文件里，作為建立工裝坐標(biāo)系的依據(jù)。該文件是全部ERS點信息( 標(biāo)識及坐標(biāo)值) 的集合，即ERSj（Xj，Yj，Zj）（j =1，2，n ）。依據(jù)此文件，用激光跟蹤儀測量目標(biāo)點時，能做到2個方面。首先，測量基準(zhǔn)統(tǒng)一，不管激光跟蹤儀放在被測件附近的任何位置，都能使測量工作始終在工裝坐標(biāo)系下進行。其次，測量數(shù)據(jù)一致，不管任何時候在工裝坐標(biāo)系下，激光跟蹤儀測量的目標(biāo)點數(shù)據(jù)( 坐標(biāo)值) 始終是標(biāo)準(zhǔn)溫度下的數(shù)值，不受測量環(huán)境

16、溫度變化的影響，使測量數(shù)據(jù)始終保持一致。3） 檢查工裝坐標(biāo)系:在工裝TB點安裝完成后，工裝初始坐標(biāo)系已經(jīng)建立，同時按要求建立ERS系統(tǒng)，在型架的框架上鉆鉸若干個12H7孔，并將12r6 /8H7的襯套粘稀膠壓入孔中。襯套的數(shù)量(ERS點的數(shù)量) 分布情況視框架的大小和被安裝定位件的多少及布局情況確定。所有OTP點的三維坐標(biāo)信息已輸入至計算機。使用最小二乘轉(zhuǎn)換，保證這些測量點滿足使用要求，檢查并驗證工裝坐標(biāo)系符合工裝圖樣要求。4） 檢查工裝坐標(biāo)系:根據(jù)提供的OTP點坐標(biāo)值，安裝工裝定位元件( 平板、卡板、外形板、鉆模板等)，這類零件的特點是定位面的尺寸較大且上面至少有3個OTP襯套孔，每個孔插入

17、個后退量相同的目標(biāo)。一個工裝元件通過不共線的3 個OTP點控制其在空間中的位置，其中1個OTP點控制3 個坐標(biāo)值，第2個OTP點控制2個坐標(biāo)值，第3個OTP點控制1個坐標(biāo)值，達到控制工裝定位元件在空間中的6 個自由度。測量時，將反射器從起始座取出放在反射器座上( 注意不要打斷激光束)，將反射器座插入OTP襯套中，這時在顯示屏上將顯示出該點的實測值與理論值的差值( x ，y ，z )，該差值將隨著OTP點的移動( 實際上是定位件在移動) 在顯示屏上不斷變化著( 增大或減小)。操作者可以邊看邊調(diào)試， 直到x 、 y 、 z 都符合圖紙要求為止，然后按圖紙要求將零件固定。通過上述操作過程，可以明顯看

18、出激光跟蹤儀的測量過程是屬于間接測量，它所測量的OTP點并不用來定位產(chǎn)品。零件上用來定位產(chǎn)品的工作型面（外形面，孔，槽口等）與OTP點之間是通過數(shù)據(jù)傳遞的。零件在安裝測量的過程中，只要保證OTP點的坐標(biāo)（X ，Y ，Z ）符合圖紙要求，那么定位產(chǎn)品的工作型面就一定是準(zhǔn)確的。安裝時應(yīng)考慮工裝元件的通路、光學(xué)視線，從里到外安裝5） 檢查OTP點:在工裝所有定位件安裝完成后，應(yīng)對所有按激光測量點安裝的工裝定位件上的O T P 點進行復(fù)查，符合工裝圖樣要求。6） 數(shù)據(jù)處理和輸出:利用激光跟蹤儀獲得型架激光測量點的實測值后，應(yīng)與型架設(shè)計理論數(shù)據(jù)進行比較、分析，確保安裝精度。2.4在全機水平測量的應(yīng)用全機

19、水平測量的流程:1） 建立坐標(biāo)系:飛機具有外形尺寸及重量大、外部結(jié)構(gòu)特殊、部件之間相互位置關(guān)系要求嚴(yán)格等特點。而激光跟蹤儀則要求一個站位內(nèi)測量點光線直線可達,不可斷光再續(xù),且中間不能有障礙物,但在飛機上的水平測量點大部份是對稱分布,比如機翼、平尾的安裝角就需要測量機身左右的坐標(biāo)點,由于中間被機身、起落架或其他掛載擋住,因此在一個站位下就不可能測量出所有的坐標(biāo)點,而需多個站位、多個坐標(biāo)系,所以單臺激光跟蹤儀必須通過“轉(zhuǎn)站”的方法擴大測量范圍, 避開障礙物,以使單站位下光線直線可達,實現(xiàn)測量?！稗D(zhuǎn)站”指的是在相鄰的站位之間靠至少7個共同基點聯(lián)系起來,前一個站位測量7個共同基點,下一個站位再次測量這

20、7個共同基點,然后由計算機測量軟件通過擬合計算,把不同站位信息相互聯(lián)系,形成一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系。2） 坐標(biāo)點的測量:通過站位轉(zhuǎn)換, 能測量到全機所有的坐標(biāo)點。一般測量方法有:1)直接測量法,直接將靶標(biāo)放置到待測點位置,通過多次采樣,由測量系統(tǒng)通過計算得出結(jié)果的均值,實現(xiàn)被測標(biāo)點的測量,比如對于機身側(cè)面的標(biāo)點就可以采用這種方式;2)間接測量法,通過測量球面或圓形,采用球心或圓心擬合方式間接測出球心或圓心的點的坐標(biāo),比如對于機翼、平尾下部的標(biāo)點,由于坐標(biāo)點在下部,有時受激光頭高度的限制,不便直接測量,可以采取間接測量方式。3） 測量數(shù)據(jù)處理:在全機水平測量前, 首先要查出全機水平測量點理論坐標(biāo)值,

21、一般以飛機水平基準(zhǔn)線、對稱軸線為基準(zhǔn), 以機頭位置或?qū)ΨQ軸線上其他位置為起始原點, 建立水平測量點相對于水平基準(zhǔn)線和對稱軸線下的理論空間坐標(biāo)系, 然后把實際測得標(biāo)點坐標(biāo)通過系統(tǒng)計算, 得出實際測量值與理論值之間的差異,從而得到標(biāo)點的偏離情況, 同時, 計算出全機大部件的安裝角、傾斜角等。2.5激光跟蹤儀在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用事例在奧地利MCE科技設(shè)備制造公司（MCE Industriestechnik Linz GmbH & Co., Austria）的裝配車間里，這個金屬構(gòu)架就是空中客車（Airbus）機身的一部分。航空制造領(lǐng)域?qū)τ跍?zhǔn)確與精度有著極高的要求，即便是大型的部件，也需要極其

22、精確地測量、定位，這樣才能保證航空器的安全性?？梢哉f，航空航天領(lǐng)域?qū)τ跍y量精度的要求，代表了測量領(lǐng)域的最高科技和最高標(biāo)準(zhǔn)（圖8）。 圖8 奧地利MCE科技設(shè)備制造公司的裝配車間，工程師正在裝配空中客車的內(nèi)外部連接組件這是空客在對明天要最終驗收測試的零部件進行檢測，MCE科技設(shè)備制造公司的工程師August Katteneder要對這些零件進行50次以上的測試，而且測量的誤差不能超過0.15mm。這些數(shù)據(jù)還要被發(fā)送給空中客車在德國漢堡工廠的工程師們，以供明天的驗收測試做參考。如果通過驗收測試，這批零部件就會被裝載在平板卡車上運送到空中客車的組裝廠進行最后的組裝。最后的裝配工作將在一條長55m的軌道系統(tǒng)上進行，這是一項十分精密的工程，整條軌道的高度公差只有0.05mm。為滿足這一切嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，MCE的工程師們決定用激光跟蹤技術(shù)來解決這些棘手的問題（圖9）。圖9 MCE的工程師在使用API激光跟蹤儀對飛機機身零部件進行檢測， 在裝配中被用來測量、校準(zhǔn)和定位圖10 MCE工程師August Katteneder使用API的T3激光跟蹤儀進行工裝測量作業(yè)3.激光跟蹤儀系統(tǒng)發(fā)展趨勢激光跟蹤