海克斯康測(cè)量技術(shù)(青島)有限公司 劉 霜

作為便攜式測(cè)量工具的典型代表，激光跟蹤儀在航空航天、汽車等大尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域一直備受青睞。激光跟蹤儀系統(tǒng)的應(yīng)用包括現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、測(cè)量輔助找正和裝配、原型制造、航空工裝檢修、汽車白車身檢測(cè)、逆向工程、大尺寸工件接合和裝配等。激光跟蹤儀的優(yōu)勢(shì)在于它在大范圍測(cè)量應(yīng)用中兼具精度、可靠性和耐用度，而首要優(yōu)勢(shì)還是便攜性，因?yàn)椋糠至慵捎谄渚薮蟮闹亓?、尺寸或長(zhǎng)度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)無法完成對(duì)零件的測(cè)量。

激光跟蹤儀曾被規(guī)模較小的企業(yè)和組織視為成本過高。他們往往采用臨時(shí)的方案執(zhí)行找正和驗(yàn)證任務(wù)，尚能獲得不同程度的成功。時(shí)至今日，產(chǎn)品的公差要求更高，精度高達(dá)十幾個(gè)μm，制造商不得不重新審視激光跟蹤儀方案。而數(shù)字時(shí)代的來臨，使質(zhì)控過程的文檔管理和數(shù)據(jù)信息的可視化處理成為不可忽視的另一個(gè)趨勢(shì)，這也驅(qū)使企業(yè)重新評(píng)價(jià)他們的測(cè)量過程,采用數(shù)字化的裝備完成測(cè)量與分析過程。

激光跟蹤儀誕生于20世紀(jì)90年代，隨著市場(chǎng)和技術(shù)的成熟，當(dāng)激光跟蹤儀的技術(shù)越來越先進(jìn)，應(yīng)用范圍和功能有了很大的擴(kuò)展和進(jìn)步時(shí)，其價(jià)格反而在逐漸下降，比之前更經(jīng)濟(jì)。

激光跟蹤儀進(jìn)入6D測(cè)量技術(shù)時(shí)代

傳統(tǒng)的激光跟蹤儀測(cè)量以3D測(cè)量為主，即反射球（靶標(biāo)）測(cè)量方式，測(cè)量的數(shù)值為球心坐標(biāo)值X，Y，Z（也可以其他坐標(biāo)系方式顯示），主要應(yīng)用于航空航天型架、大部件以及汽車行業(yè)工裝等部件的測(cè)量、安裝和調(diào)整。隨著工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的增多，除了單一的通過反射球進(jìn)行測(cè)量和跟蹤，使用者更希望將跟蹤儀的便攜、大尺寸應(yīng)用到加工工件的測(cè)量中，這類工件形狀復(fù)雜、測(cè)量特征分布廣泛，單純依靠跟蹤儀轉(zhuǎn)站和隱藏點(diǎn)輔助測(cè)量工具已經(jīng)很難滿足精度和效率的測(cè)量要求。

在這種情況下，手持式激光跟蹤儀測(cè)量方案 (Leica六自由度測(cè)量產(chǎn)品 —— T系列解決方案）應(yīng)運(yùn)而生。通過在跟蹤儀上集成相機(jī)(Leica T-Cam)，可以跟蹤反射器和其他目標(biāo)測(cè)量設(shè)備。

如圖1所示的Leica T-Probe手持式測(cè)量機(jī)，拓展了跟蹤儀的應(yīng)用范圍，可完成隱藏點(diǎn)和內(nèi)部特征的測(cè)量工作。

圖1 Leica T-Probe手持式測(cè)量有效解決隱藏點(diǎn)和內(nèi)部特征檢測(cè)難題

反射球集成在目標(biāo)設(shè)備中，加上植入目標(biāo)設(shè)備表面上的一組10個(gè)紅外發(fā)光二極管，該目標(biāo)設(shè)備就構(gòu)成了目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，通過6個(gè)參數(shù)描述目標(biāo)設(shè)備與激光跟蹤儀，從而在測(cè)量和跟蹤過程中，不僅可以監(jiān)控跟蹤目標(biāo)的X，Y，Z（中心值），同時(shí)還可以提取目標(biāo)的I，J，K（沿3個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)）用于體現(xiàn)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。通過六自由度測(cè)量，為跟蹤儀提供了更廣泛范疇的生產(chǎn)力和創(chuàng)新觀念，并大大拓展跟蹤儀的應(yīng)用領(lǐng)域。

?？怂箍禋v經(jīng)25年的技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了Leica激光跟蹤儀家族，從絕對(duì)測(cè)距儀、六自由度跟蹤儀、絕對(duì)干涉儀以及PowerLock自動(dòng)目標(biāo)鎖定，使得Leica成為高品質(zhì)的象征，如圖2所示。2014年年底，Leica推出最新一代Leica AT960系列絕對(duì)激光跟蹤儀（見圖3），更是憑借諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)所為用戶帶來的便攜、高速、高精度而確立了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（1）第三代PowerLock自動(dòng)目標(biāo)鎖定技術(shù)能夠智能自動(dòng)鎖定反射球或手持式探測(cè)工具，主動(dòng)定位中端的激光束，不再需要操作者的干預(yù)，且在最大工作范圍內(nèi)有效；（2） Leica絕對(duì)干涉儀（AIFM）允許AT960以最大的測(cè)量不確定度10μm的在激光束中斷完成后繼續(xù)測(cè)量，數(shù)據(jù)采集速率保持在 1000 點(diǎn) /s；（3） AT960 支持電池和Wi-Fi的無線操作模式，支持彩色觸摸屏，在現(xiàn)場(chǎng)就能完成基本調(diào)整和簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)維護(hù)工作，大大提升了便利性；（4） 內(nèi)置水平儀的AT960只有不到14kg的重量，其便攜性再次受到業(yè)界的認(rèn)可；（5） IP54認(rèn)證，可以全面勝任各種工業(yè)加工條件。

圖2 Leica激光跟蹤儀家族

圖3 Leica AT 960

激光跟蹤儀驅(qū)動(dòng)機(jī)器人高精度自動(dòng)化

隨著機(jī)器人、CNC等自動(dòng)化加工設(shè)備的發(fā)展，要求設(shè)備之間的兼容性和通信技術(shù)也越來越成熟。在此基礎(chǔ)上，激光跟蹤儀也將應(yīng)用領(lǐng)域再次擴(kuò)展，通過和自動(dòng)化系統(tǒng)的控制柜交互通信，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化運(yùn)行。

圖4 Leica絕對(duì)激光跟蹤儀引導(dǎo)機(jī)器人完成自動(dòng)化裝配

首先，激光跟蹤儀技術(shù)能夠促進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)化，使得精度不高的低成本機(jī)器人也能夠適應(yīng)高精度的應(yīng)用。在角反射器的協(xié)助下，激光跟蹤儀可以用于校驗(yàn)工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)定鏈路長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角、接頭零點(diǎn)、鏈接的偏移量和剛度參數(shù)。另一個(gè)自動(dòng)化操作機(jī)器人的方法是利用六自由度引導(dǎo)機(jī)器人至其所需的位置。如圖4所示為L(zhǎng)eica絕對(duì)激光跟蹤儀，協(xié)助完成長(zhǎng)達(dá)18m的桁條精確粘接工作的工作現(xiàn)場(chǎng)。該技術(shù)允許機(jī)器人制造商在校驗(yàn)周期內(nèi)校準(zhǔn)末端執(zhí)行器，用很少的動(dòng)作即可實(shí)時(shí)獲得工具中心點(diǎn)（TCP）精確位置。激光跟蹤儀驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化的最后一個(gè)方法是超大尺寸工件的在機(jī)測(cè)量。將機(jī)器人當(dāng)做一個(gè)完全重復(fù)的操作者，這樣理解起來最簡(jiǎn)單。盡管工件檢測(cè)是由機(jī)器人移動(dòng)手持式設(shè)備來完成，測(cè)量結(jié)果還是由激光跟蹤儀而非機(jī)器來記錄，這確保測(cè)量結(jié)果的精度是基于激光跟蹤儀的精度，而非數(shù)控機(jī)床的精度。

激光跟蹤儀的6D自動(dòng)化測(cè)量的工作模式主要具備三大特點(diǎn)。（1）生產(chǎn)線上工件質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。包括：快速掃描工件外形或觸發(fā)測(cè)量；以激光跟蹤儀精度進(jìn)行測(cè)量，不依賴于生產(chǎn)線機(jī)器人或CNC機(jī)床的精度。（2） 充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng)和生產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。包括：兼容導(dǎo)軌系統(tǒng)擴(kuò)展測(cè)量量程（如圖5所示是Leica絕對(duì)激光跟蹤儀利用導(dǎo)軌，完成大尺寸零部件檢測(cè)任務(wù)）；兼容通用機(jī)器人控制通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，將生產(chǎn)系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展為在線檢測(cè)系統(tǒng)。（3） “便攜”測(cè)量設(shè)備。包括：激光跟蹤儀位置相對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)完全的跟蹤儀便攜測(cè)量功能，根據(jù)需要變換位置。

圖5 利用導(dǎo)軌，激光跟蹤儀自動(dòng)化系統(tǒng)擴(kuò)展測(cè)量行程

按照測(cè)量方式分類，有2種自動(dòng)化的檢測(cè)方式：觸發(fā)測(cè)量（通過觸發(fā)測(cè)頭進(jìn)行單點(diǎn)觸測(cè)生成特征）和激光測(cè)量（通過激光測(cè)頭進(jìn)行掃描點(diǎn)云構(gòu)建曲面比對(duì)和特征）?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的應(yīng)用方式選擇加載測(cè)頭的類型?？蛻粼诓僮鬟^程中，通過在電腦中編制并運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)測(cè)量，能夠完成特征測(cè)量、坐標(biāo)系對(duì)齊、GD&T形位公差評(píng)價(jià)、SPC統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)告等任務(wù)。

雖然在測(cè)量過程中應(yīng)用了機(jī)器人和CNC機(jī)床，但是這些硬件僅僅是作為T系列產(chǎn)品的移動(dòng)載體，其精度的好壞并不影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，最終的測(cè)量精度仍然取決于激光跟蹤儀本身的測(cè)量精度。如圖6所示，Leica T-Scan激光掃描儀能夠在1s內(nèi)采集超過210000點(diǎn)，無需噴粉，完成閃亮金屬或黑暗表面的快速測(cè)量與比對(duì)。Leica激光跟蹤儀使用T-Scan進(jìn)行自動(dòng)化掃描的精度如表1所示。

圖6 Leica T-Scan激光掃描儀

激光跟蹤儀技術(shù)助力大飛機(jī)虛擬裝配技術(shù)

當(dāng)我們討論“虛擬裝配”這個(gè)概念時(shí)，立即想到的往往是基于CAD的計(jì)算機(jī)裝配模型和仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配，該項(xiàng)技術(shù)在很大程度上降低了飛機(jī)的制造成本，并縮短了制造周期。然而該過程是基于設(shè)計(jì)模型的，實(shí)際產(chǎn)品由于各種因素的影響，往往與理論設(shè)計(jì)有較大的差距。因此，利用激光跟蹤儀的測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用軟件技術(shù)，在實(shí)際產(chǎn)品的裝配過程中引入虛擬裝配技術(shù)，成為預(yù)警并加速根源分析的一個(gè)新型手段，該手段的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是使用激光跟蹤儀驗(yàn)證部件與設(shè)計(jì)一致性的同時(shí)，降低了飛機(jī)制造對(duì)夾具和檢具的依賴，減少了復(fù)雜工裝夾具的數(shù)量及其高昂的維護(hù)成本。

表1 Leica激光跟蹤儀使用T-Scan進(jìn)行自動(dòng)化掃描精度

波音747裝配成為激光跟蹤儀應(yīng)用軟件虛擬裝配技術(shù)的一個(gè)典型的案例。2008年，波音787第1次引入配備SA軟件的激光跟蹤儀系統(tǒng)作為過程控制測(cè)量及裝配工具。首先，對(duì)所有的主要部件進(jìn)行測(cè)量，并基于該測(cè)量結(jié)果在總裝實(shí)施之前進(jìn)行了模擬裝配，在總裝前了解了飛機(jī)最終裝配后的總體狀況；然后，在所有部件運(yùn)抵總裝工廠前進(jìn)行了各個(gè)部件的修理，最終達(dá)成了3天即完成裝配的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了第1架飛機(jī)不再是原形機(jī)，而是可以直接交付客戶的飛機(jī)。

圖7 在SA軟件中模擬飛行裝配并分析部件之間的干涉

圖8 39臺(tái)激光跟蹤儀及其SA軟件組成空客A340總裝測(cè)量網(wǎng)絡(luò)

基于激光跟蹤儀測(cè)量的SA測(cè)量過程如下：首先將測(cè)量點(diǎn)與數(shù)模上的名義點(diǎn)對(duì)齊。對(duì)齊的方法有測(cè)量已知點(diǎn)、曲面對(duì)齊和測(cè)量工裝夾具點(diǎn)3種。任何測(cè)量結(jié)果都產(chǎn)生坐標(biāo)轉(zhuǎn)移，使其后設(shè)備的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)移到零件坐標(biāo)系報(bào)告。在對(duì)分段分別進(jìn)行測(cè)量后，利用SA特有的USMN(統(tǒng)一空間計(jì)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))功能對(duì)設(shè)備測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量的各部段關(guān)鍵點(diǎn)位置，在SA中進(jìn)行實(shí)際裝配前的虛擬裝配分析。通過虛擬裝配能夠在總裝前發(fā)現(xiàn)問題，在部件運(yùn)抵總裝工廠前在各分段制造地區(qū)對(duì)問題進(jìn)行分析解決。降低成本、提高效率，使生產(chǎn)過程始終得到控制。圖7為SA軟件界面對(duì)飛機(jī)進(jìn)行模擬裝配，分析干涉。如圖8所示，在空客A340的裝配過程中，采用39臺(tái)Leica AT901絕對(duì)激光跟蹤儀組成的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，利用SA軟件的USMN功能，將測(cè)量不確定度降到最小。

SA是?？怂箍灯煜碌囊豢钸B接便攜式測(cè)量系統(tǒng)的大空間測(cè)量軟件。該軟件基于測(cè)量設(shè)備，具有追溯功能。用戶可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、模型建立、工件測(cè)量、自動(dòng)化測(cè)量過程及生成報(bào)告和逆向零件。SA可以同時(shí)連接不限數(shù)量的便攜式測(cè)量設(shè)備，同時(shí)可以執(zhí)行復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。可以對(duì)不同測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，幫助用戶找到最佳方案，提高精度、節(jié)省時(shí)間，最終提高生成效率。

結(jié)束語

隨著激光跟蹤儀設(shè)備越來越經(jīng)濟(jì)，激光跟蹤儀本身變得更小、更輕、更高效，激光跟蹤儀技術(shù)越來越先進(jìn)，應(yīng)用更加人性化。手持式測(cè)頭和機(jī)器人控制系統(tǒng)提升了激光跟蹤儀的柔性，類似電池操作、IP54防水防塵等級(jí)等選項(xiàng)使得今天的跟蹤儀可以到達(dá)人們?cè)?jīng)認(rèn)為不可能的任意地點(diǎn)，這使得激光跟蹤儀的應(yīng)用數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。由于技術(shù)需求的不斷擴(kuò)大，激光跟蹤儀技術(shù)將由大空間應(yīng)用擴(kuò)展到更小的工廠空間，激光跟蹤儀測(cè)量應(yīng)用的視野也正在從大尺寸測(cè)量領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。在數(shù)字時(shí)代來臨之際，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的高精度自動(dòng)化測(cè)量、引領(lǐng)現(xiàn)實(shí)操作的虛擬裝配處理等新型應(yīng)用，將為企業(yè)激發(fā)新的生產(chǎn)力。