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(yán)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(biāo)進行跟蹤并實時測量運動目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)，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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)靶標(biāo)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(biāo)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(biāo)測量系統(tǒng)，對空間目標(biāo)點三維坐標(biāo)的測量是通過激光跟蹤儀坐標(biāo)原點到目標(biāo)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(biāo)原點為O點，被測空間目標(biāo)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(biāo)（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]?？湛停ˋirbus）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(biāo)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(yuǎn)鏡坐標(biāo)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(zhǔn)確給出其精度指標(biāo)，對激光跟蹤儀測量的重復(fù)性、準(zhǔn)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(biāo)球的空間位置能夠被激光跟蹤頭準(zhǔn)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(biāo)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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