激光跟踪仪航空应用

激光跟踪仪系统在航空领域的应用

摘要：介绍目前飞机装配、制造中具有代表性的计算机辅助测量系统设备——激光跟踪仪系统的工作原理及功能，并结合实例介绍了激光跟踪仪系统的应用，以及激光跟踪仪系统的发展趋势。

关键词：计算机辅助测量系统激光跟踪仪装配工装全机水平测量

1.激光跟踪仪系统

1.1激光跟踪仪系统的概念

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合

于大尺寸工件配装测量，测量静止

目标，跟踪和测量移动目标或它

们的组合。SMART310是Leica公

司在1990年生产的第一台激光跟踪

仪，1993年Leica公司又推出了

SMART310的第二代产品，其后，

Leica公司还推出了LT/LTD系列的

激光跟踪仪，以满足不同的工业生

产需要。激光跟踪仪因不同领域需

要，其种类也有很多种，在此仅以

航空领域应用较多的一类激光跟踪

仪为对象进行介绍。

图1

1.2激光跟踪仪系统的组成

激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区别之处在于它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的三个轴，三轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机以及反射器。见图2

图2

(1) 传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转。每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（IFM），还有一个绝对距离测量装置（ADM）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器（PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。见图3

鸟巢

图3

2) 控制器: 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。

(3) 电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。LAN电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。

(4) 应用计算机：加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。

(5) 反射器（靶标）：是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标值来描述被测对象的形状和尺寸。靶标有3种不同型号（见表一）。本系统中采用玻璃菱镜反射器。

(6) 气象站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。

7) 测量附件：包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。

1.3激光跟踪仪系统的原理

要介绍激光跟踪仪系统的原理就要从两部分进行介绍：激光跟踪的原理和激光跟踪仪系统坐标测量的原理。

1.3.1激光跟踪的原理

当跟踪系统处于平衡状态时，如图4 所示，由激光发生器射出的光束，经过干涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。

当目标反射镜运动一个位移量后，如图5 所示。此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2λ。返回光经过分光镜，一部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状态。

1.3.2激光跟踪仪系统坐标测量的原理

首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图6 所示。 设P （x ，y ，z ）为被测空间点假设点P 到点O 的距离为L ，

OP 与Z 轴的夹角为β，OP 在xy 平面内的投影与x 轴的夹角为α，

则点P （x ，y ，z ）的表达式为：

其中，α、β的值由安装在跟踪头中的两个编码器给出，

L 的值通过安装在激光头中的激光干涉仪获得。

角度测量部分：其工作原理类似于电子经纬仪、马达驱动式全站仪的角度测量装置，包括水平度盘、垂直度盘、步进马达及读数系统，由于具有跟踪测量技术，它的动态性能较好。

激光干涉法测距原理为：由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作为干涉参考光，S2作为测量光。当S2经目标反射镜反射回来时，与S1汇合成相干光束。若两列光S1和S2的光程差为n λ（λ为波长，n 为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，出现明条纹。若S1 和S2 的光程差为λ/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，此时光强最小，出现暗条纹。所以当目标反射镜在空间运动时，由于S1 和S2 光程差的变化，明暗相间的条纹也会发生变化。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，实现对位移变化量的检测。

由以上原理可知激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一个固定点叫鸟巢，测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与跟踪头中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜进行空间点的测量。由于激光干涉仪是增量码仪器，所以在测量过程中一旦发生丢光，干涉仪就会停止计数，测量就无法继续，整个测量过程就必须重新开始。此外，测量系统给出的三维坐标值是目标反射镜的中心位置，理论上目标反射镜的中心均与其外面的球形外壳中心重合，所以要获得被测点的实际坐标值还要对直接测量值进行半径补偿。

sin sin sin sin cos x L y L z L βαβα

β=???=???=??

2.激光跟踪仪系统航空领域的应用

2.1航空技术的发展

航空制造领域对于准确与精度有着极高的要求，即便是大型的部件，也需要极其精确地测量、定位，这样才能保证航空器的安全性。可以说，航空航天领域对于测量精度的要求，代表了测量领域的最高科技和最高标准。随着航空制造业的迅速发展，飞机装配工装制造技术也发生了很大变革，由原来的模拟量传递协调工装制造发展到数字量传递协调工装制造，激光跟踪仪的广泛应用充分说明了这一点。将激光跟踪仪用于飞机型架的安装和检测，使型架的设计、制造和检测的技术水平达到了一个新的高度，实现了计算机辅助设计、制造、检验（即CAD/CAM/CAI）一体化。

2.2激光跟踪仪系统航空领域应用发展

在航天航空制造业领域，飞行器具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点。飞行器的装配通常是在各部件分别安装后再进行总体装配，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的检测。在飞行器装配过程中的测量误差可能会导致很严重的后果，因此必须要确保航天航空领域测量的精确性。激光跟踪测量系统的现场性和实时性以及它的高精度性都满足了飞机行架的定位安装，飞机外形尺寸的检测，零部件的检测，飞机的维修等工程项目的需要。

如测量一架大型飞机的内外形尺寸，首先要确定整架飞机的空间坐标，保证所要测量到的外形尺寸空间点都在一个坐标系中，要求布置足够的测站，这些测站就保证了飞机上、下、左、右、前、后等整个外形都在激光跟踪仪测量范围内。其次要保证飞机处于静止状态，测量过程中不能产生移动。激光跟踪仪在每一个测站测量某一个区域的飞机外形坐标点，将各个测站的飞机外形坐标连接起来就构成整架飞机的外形尺寸坐标，将这些点处理后就形成了飞机外形的数字模型。激光跟踪测量系统扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，大大提高了工作效率。

激光跟踪系统最早在我国的应用就是应用于航空制造领域，1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统。随着技术水平的提高，航空制造领域对激光跟踪仪的应用越来越广泛。在此就激光跟踪仪在航空制造领域应用最广泛的飞机装配工装制造中和全机水平测量的应用进行介绍。

2.3在飞机装配工装制造中的应用

2.3.1飞机工装安装有以下特点:

（1）多台激光跟踪仪同时进行测量安装型架;

（2）型架尺寸大，结构复杂，定位件多，安装周期长，且安装好后都要按规定进行定检;

（3）型架上需安装的各定位件上都有OTP点，OTP点的标识及坐标值由设计者在工装图纸上列出。

2.3.2飞机工装安装的流程:

工装安装时，流程见下图7

图7

1）安装前准备:

测量环境应符合仪器使用要求；激光跟踪仪应严格按规定进行预热、校准、标尺测量等，保证其满足测量要求。在实际测量时，考虑温、湿度的变化进行补偿；工装框架已完成安装，精度满足要求。

2）建立工装坐标系:

按工装图纸的要求通过坐标基准点建立标准温度下的工装坐标系。对于装配型架，理论上需设定在空间上不共线的3个点建立工装坐标系，这3个点位于型架的主体骨架上，且在型架上的安装面应是最大投影面。3个TB点应最大限度地包容整个工装的主体结构，并要考虑视线的开敞性、安装位置的稳定性。对于大型型架，通常在型架上布置4 个以上TB点来建立工装坐标系。建立工装坐标系的目的，就是在该坐标系下建立ERS（增强参考系统(Enhanced Reference system，ERS)是为使工装获得正确比例的一种手段。）的参考文件。方法是在工装框架上每隔200～400mm安装标准工具球。在工装飞机坐标系建立后，将这些工具球收集在一个文件里，作为建立工装坐标系的依据。该文件是全部ERS点信息( 标识及坐标值) 的集合，

即ΣERSj（Xj，Yj，Zj）（j =1，2，…，n ）。依据此文件，用激光跟踪仪测量目标点时，能做到2个方面。首先，测量基准统一，不管激光跟踪仪放在被测件附近的任何位置，都能使测量工作始终在工装坐标系下进行。其次，测量数据一致，不管任何时候在工装坐标系下，激光跟踪仪测量的目标点数据( 坐标值) 始终是标准温度下的数值，不受测量环境温度变化的影响，使测量数据始终保持一致。

3）检查工装坐标系:

在工装TB点安装完成后，工装初始坐标系已经建立，同时按要求建立ERS系统，在型架的框架上钻铰若干个φ12H7孔，并将φ12r6 /φ8H7的衬套粘稀胶压入孔中。衬套的数量(ERS点的数量) 分布情况视框架的大小和被安装定位件的多少及布局情况确定。所有OTP点的三维坐标信息已输入至计算机。使用最小二乘转换，保证这些测量点满足使用要求，检查并验证工装坐标系符合工装图样要求。

4）检查工装坐标系:

根据提供的OTP点坐标值，安装工装定位元件( 平板、卡板、外形板、钻模板等)，这类零件的特点是定位面的尺寸较大且上面至少有3个OTP衬套孔，每个孔插入—个后退量相同的目标。一个工装元件通过不共线的3 个OTP 点控制其在空间中的位置，其中1个OTP点控制3 个坐标值，第2个OTP点控制2个坐标值，第3个OTP点控制1个坐标值，达到控制工装定位元件在空间中的6 个自由度。测量时，将反射器从起始座取出放在反射器座上( 注意不要打断激光束)，将反射器座插入OTP衬套中，这时在显示屏上将显示出该点的实测值与理论值的差值( △x ，△y ，△z )，该差值将随着OTP点的移动( 实际上是定位件在移动) 在显示屏上不断变化着( 增大或减小)。操作者可以边看边调试，直到△x 、△y 、△z 都符合图纸要求为止，然后按图纸要求将零件固定。通过上述操作过程，可以明显看出激光跟踪仪的测量过程是属于间接测量，它所测量的OTP点并不用来定位产品。零件上用来定位产品的工作型面（外形面，孔，槽口等）与OTP点之间是通过数据传递的。零件在安装测量的过程中，只要保证OTP点的坐标（X ，Y ，Z ）符合图纸要求，那么定位产品的工作型面就一定是准确的。安装时应考虑工装元件的通路、光学视线，从里到外安装

5）检查OTP点:

在工装所有定位件安装完成后，应对所有按激光测量点安装的工装定位件上的O T P 点进行复查，符合工装图样要求。

6）数据处理和输出:

利用激光跟踪仪获得型架激光测量点的实测值后，应与型架设计理论数据进行比较、分析，确保安装精度。

2.4在全机水平测量的应用

全机水平测量的流程:

1）建立坐标系:

飞机具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点。而激光跟踪仪则要求一个站位内测量点光线直线可达,不可断光再续,且中间不能有障碍物,但在飞机上的水平测量点大部份是对称分布,比如机翼、平尾的安装角就需要测量机身左右的坐标点,由于中间被机身、起落架或其他

挂载挡住,因此在一个站位下就不可能测量出所有的坐标点,而需多个站位、多个坐标系,所以单台激光跟踪仪必须通过“转站”的方法扩大测量范围, 避开障碍物,以使单站位下光线直线可达,实现测量。

“转站”指的是在相邻的站位之间靠至少7个共同基点联系起来,前一个站位测量7个共同基点,下一个站位再次测量这7个共同基点,然后由计算机测量软件通过拟合计算,把不同站位信息相互联系,形成一个统一的坐标系。

2）坐标点的测量:

通过站位转换, 能测量到全机所有的坐标点。

一般测量方法有:

1)直接测量法,直接将靶标放置到待测点位置,通过多次采样,由测量系统通过计算得出结果的均值,实现被测标点的测量,比如对于机身侧面的标点就可以采用这种方式;

2)间接测量法,通过测量球面或圆形,采用球心或圆心拟合方式间接测出球心或圆心的点的坐标,比如对于机翼、平尾下部的标点,由于坐标点在下部,有时受激光头高度的限制,不便直接测量,可以采取间接测量方式。

3）测量数据处理:

在全机水平测量前, 首先要查出全机水平测量点理论坐标值, 一般以飞机水平基准线、对称轴线为基准, 以机头位置或对称轴线上其他位置为起始原点, 建立水平测量点相对于水平基准线和对称轴线下的理论空间坐标系, 然后把实际测得标点坐标通过系统计算, 得出实际测量值与理论值之间的差异,从而得到标点的偏离情况, 同时, 计算出全机大部件的安装角、倾斜角等。

2.5激光跟踪仪在航空制造领域的应用事例

在奥地利MCE科技设备制造公司（MCE Industriestechnik Linz GmbH & Co., Austria）的装配车间里，这个金属构架就是空中客车（Airbus）机身的一部分。航空制造领域对于准确与精度有着极高的要求，即便是大型的部件，也需要极其精确地测量、定位，这样才能保证航空器的安全性。可以说，航空航天领域对于测量精度的要求，代表了测量领域的最高科技和最高标准（图8）。

图8 奥地利MCE科技设备制造公司的装配车间，工程师正在装配空中客车的内外部连接组件

这是空客在对明天要最终验收测试的零部件进行检测，MCE科技设备制造公司的工程师August Katteneder要对这些零件进行50次以上的测试，而且测量的误差不能超过0.15mm。这些数据还要被发送给空中客车在德国汉堡工厂的工程师们，以供明天的验收测试做参考。如果通过验收测试，这批零部件就会被装载在平板卡车上运送到空中客车的组装厂进行最后的组装。最后的装配工作将在一条长55m的轨道系统上进行，这是一项十分精密的工程，整条轨道的高度公差只有0.05mm。为满足这一切严谨的要求，MCE的工程师们决定用激光跟踪技术来解决这些棘手的问题（图9）。

图9 MCE的工程师在使用API激光跟踪仪对飞机机身零部件进行检测，

在装配中被用来测量、校准和定位

图10 MCE工程师August Katteneder使用API的T3激光跟踪仪进行工装测量作业

3.激光跟踪仪系统发展趋势

激光跟踪仪作为一种高科技、高精度的工具，已不仅仅在航空中得以广泛应用，其发展趋势也逐步向着各个方面延伸：

航空工业：飞机行架的定位安装，飞机外形尺寸的检测，零部件的检测，飞机的维修。

航天工业：飞行器外形的检测，重要部件安装位置的检测，导轨的检测。

汽车工业：汽车生产线的检测，白车身的检测，汽车工装检具的检测与调整。

造船工业：轮船外形尺寸的检测，重要部件安装位置的检测，逆向工程。

科学研究领域：粒子加速器的定期检测与调整，重要核心部件的安装，调整与检测。

雷达工业：雷达表面形状的检测，雷达安装位置的检测。

重型机械行业：重要的大型部件的尺寸检测，逆向工程的应用。

随着科技的飞速发展，激光跟踪仪发展将更加广泛

参考文献

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2.王彦喜，闵俊，刘刚。激光跟踪仪在飞机型架装配中的应用。空军驻陕飞公司军代表室，

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