激光跟蹤儀講解

1、1.1 概述激光跟蹤測量系統(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)，對空間運動目標進行跟 蹤并實時測量目標的空間三維坐標。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安 裝快捷、操作簡便等特點，適合于大尺寸工件配裝測量。 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

2、要。 LTD 系列的激光跟蹤儀采用了 Leica 公司專利的絕對測 距儀，測量速度快，精度高，配套的軟件則在Leica統(tǒng)一的工業(yè)測量系統(tǒng)平臺Axyz 下進行開發(fā)，包括經(jīng)緯儀測量模塊、全站儀測量模塊、激光跟蹤儀測量模塊和數(shù)字攝影測量模塊等 8 。激光跟蹤系統(tǒng)在我國的應(yīng)用始于 1996年，上飛、沈飛集團在我國第一次引進了 SMART310激光跟蹤系統(tǒng)；2005年上海盾構(gòu)公司引進了 Leica公司的一套LTD600跟蹤測量系統(tǒng)，應(yīng)用于三維管模的檢測。1.2 激光跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理 52近年來，激光跟蹤測量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大，很多公司都相繼推出了 各自品牌的激光跟蹤儀，但所有的激光跟蹤測量系

3、統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭 （跟 蹤儀）、控制器、用戶計算機、反射器 （靶鏡）及測量附件等組成的。在本文中， 實驗采用的是LTD600激光跟蹤測量系統(tǒng)（圖2.1 ），因此具體討論的基本原理 是基于LTD 600型的激光跟蹤測量系統(tǒng)。圖 2.1 LTD600 激光跟蹤測量系統(tǒng)1.2.1 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，三軸相交的中心是測量坐標系的原點。它的結(jié)構(gòu)原理如圖 2.2 所示。 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

4、以及反射器。（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。圖 2.2 激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)原理圖（2）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（圖 2.3）。跟蹤處理器將跟蹤器內(nèi)的信號轉(zhuǎn)

5、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。圖 2.3 控制器(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：經(jīng)過專業(yè)人員的配置后，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：采用球形結(jié)構(gòu)，因此測量點到測量面的距離是固定的。本系統(tǒng) 中采用三面正交鏡的三重鏡反射器。(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

6、口被傳送給聯(lián)機的計算機應(yīng)用程序 ,如圖 2.4。圖 2.4 氣象站(7) 測量附件：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。1.2.2 系統(tǒng)的基本原理 7激光跟蹤測量系統(tǒng)的工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā) 出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向 來對準目標。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標的空間位置。簡 單的說，激光跟蹤測量系統(tǒng)的所要解決的問題是靜態(tài)或動態(tài)地跟蹤一個在空間中 運動的點，同

7、時確定目標點的空間坐標。激光跟蹤儀的坐標測量是基于極坐標測量原理的（圖 2.5 ）。測量點的坐標由跟蹤頭輸出的兩個角度，即水平角 H和垂直角V，以及反射器到跟蹤頭的距離D計算出來的。本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中采用的一站法激光跟蹤測量系統(tǒng)。圖 2.5 一站法激光跟蹤儀坐標測量原理計算公式為：（2.1）系統(tǒng)的工作原理從以下幾個部分進行討論：1） 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。（2） 距離測量部分：由 IFM 裝置和 ADM 裝置分別進行相對距離測量和絕對 距離測量。 IFM 是基

8、于光學干涉法的原理，通過測量干涉條紋的變化來測 量距離的變化量，因此只能測量相對距離。而跟蹤頭中心到鳥池 （圖 2.6） 的距離是已知固定的，稱為基準距離。 ADM 裝置的功能就是自動重新初 始化 IFM ，獲取基準距離。 ADM 通過測定反射光的光強最小來判斷光所 經(jīng)過路徑的時間，來計算出絕對距離。當反射器從鳥池內(nèi)開始移動， IFM 測量出移動的相對距離，再加上 ADM 測出的基準距離，就能計算出跟蹤 頭中心到空間點的絕對距離。圖 2.6 鳥池（3）激光跟蹤控制部分：由光電探測器（PSD）來完成。反射器反射回的光經(jīng)過分光鏡，有一部分光直接進入光電探測器，當反射器移動時，這部分光 將會在光電探

9、測器上產(chǎn)生一個偏移值 ，光電探測器根據(jù)偏移值會自動控制 馬達轉(zhuǎn)動直到偏移值為零，實現(xiàn)跟蹤反射器的目的。1.2.3 激光跟蹤儀的測量精度和系統(tǒng)誤差校準方法激光跟蹤儀的測量精度主要取決于測角和測距的精度以及測量環(huán)境的影響。以Leica公司的LTD600型激光跟蹤儀為例，它的角度分辨率為 0.14 ，角 度測量精度達2.0 ；單頻光外差干涉法測量距離的分辨率為，距離的測量精度達，其精度主要受到溫度和氣壓測量精度和變化及大氣條件均勻性的影響，同時，干涉法距離測量的精度還受到基準距離校準精度的影響，因 為基準距離校準誤差將會成為干涉測距的系統(tǒng)誤差； ADM 絕對測距儀采用光偏 振的工作原理，它的距離測量

10、分辨率達 ，在全量程范圍內(nèi)的距離測量精度為；跟蹤儀最大量測距離為 ，水平方向的量測范圍達，垂直方向的量測范圍為 。在測量范圍內(nèi)， IFM 相對坐標測量精度達到（ 即） ； ADM絕對坐標測量精度達到（ 即） 。當然系統(tǒng)精度還取決于工作場地和環(huán)境的穩(wěn)定性，一般要求在室內(nèi)較穩(wěn)定的工作條件下。之前提過激光跟蹤儀的三軸，理論上，三軸之間是要保持正交關(guān)系，但由于 實際的機械加工，安裝調(diào)整誤差和電子零點誤差等影響，軸系間不可能到達理想 的正交狀態(tài)，這也是系統(tǒng)誤差存在的原因。在李廣云教授的論文 8 中指出，按物理意義激光跟蹤儀角度測量的系統(tǒng)誤差 分為15類，即有15個校準參數(shù)，分別是：水平軸傾斜誤差i、旋轉(zhuǎn)

11、鏡傾斜誤差 c、激光束傾斜誤差lx和ly、水平軸偏移誤差e、旋轉(zhuǎn)鏡偏移誤差f、激光束偏移 誤差Ox和Oy、平行玻璃板偏移誤差 O2x和O2y、垂直度盤指標差j、水平度盤 偏心差Ex和Ey、垂直度盤偏心差Kx和Ky。這些系統(tǒng)誤差的檢驗類似于經(jīng)緯 儀或全站儀的檢驗，并且在配套的系統(tǒng)軟件中已經(jīng)添置了專門的儀器校準程序， 操作人員只要將測定的誤差參數(shù)存于應(yīng)用計算機中 ，在實際作業(yè)中這些參數(shù)會被自動傳送到跟蹤儀控制器中，用來補償修正各類測角測距觀測值。為了簡化操作 過程，在激光跟蹤儀出廠前廠家同時給出了一組校準后的參數(shù)供用戶參考，但考 慮到重新安裝、環(huán)境變化、長途運輸?shù)纫蛩氐挠绊懀脩粢矐?yīng)自行檢測。校準

12、方 法可參考經(jīng)緯儀等的校準，具體的方法可參考儀器出廠的使用說明書。 不同于經(jīng)緯儀或全站儀，跟蹤儀中有個基準距離，即跟蹤頭中心到鳥池的距 離，基準距離的測定誤差稱為基距誤差 C,它屬于測距系統(tǒng)誤差?；嗾`差的測 定方法在文獻7中提出，選取兩個穩(wěn)定點1、2,兩點相距34m,確保兩點基 本與跟蹤頭處于同一高度，在 AB兩點分別設(shè)站，分別觀測1、2點的水平角、 垂直角、距離三類共12個觀測值，根據(jù)余弦定理可以計算出C值。具體計算公式為：（2.2） 兩式并整理得：（2.3）式中，（2.4）在實際計算基距誤差中，根據(jù)圖2.7所示，在A B兩站分別觀測1、2兩點，按式（2.3） 可以計算得出基距誤差 C。圖

13、 2.7 基準距離校準方法實際上，C的值是基準距離的變化部分與反射器常數(shù)之和，所以對于不同類 型的反射器，C的值也會發(fā)生變化，對于不同的反射器需要分別進行校準。1.2.4 系統(tǒng)的應(yīng)用激光跟蹤儀配備了高精度的水平和垂直角度編碼器，實現(xiàn)精確的角度測量；專利的徠卡激光干涉儀實現(xiàn)精確的相對距離測量 ；高精度的絕對測距儀則實現(xiàn)快 速檢測。這些特點彌補了對大型構(gòu)件的傳統(tǒng)測量方法經(jīng)緯儀法的不足之處， 例如人工測量的效率相對較低、觀測精度差等缺點。激光跟蹤測量系統(tǒng)測量范圍 大、攜帶方便、對環(huán)境要求不高、適合現(xiàn)場作業(yè)等優(yōu)點，使它的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴 大。在重型機械制造業(yè)中 ，大尺寸部件的檢測和逆向工程常采用激光跟蹤

14、測量系統(tǒng)。在零部件生產(chǎn)中，該系統(tǒng)可以快速精確地檢驗每個成品零部件的尺寸是否與設(shè)計尺寸完全一致，同時迅速地數(shù)字化零部件的物理模型，得到的數(shù)字化文件可以用各種方法處理從而得出測量結(jié)果。在機械領(lǐng)域中，逆向工程 （ReverseEngineering）是在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整以及沒有 CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的模型（稱為零件原形），利用各種數(shù)字化技術(shù)及 CAD 技術(shù)重新構(gòu)造原形CAD模型的過程。CMM是逆向工程中的接觸式測量方法，由于激光跟蹤測量系統(tǒng)的原理也是基于三維坐標測量的方法 ，所以這套系統(tǒng)也在逆向工程中應(yīng)用。激光跟蹤測量系統(tǒng)對工件模型進行掃描測量后建立數(shù)據(jù)模型，由數(shù)據(jù)模型生成

15、可以被加工中心識別的加工程序，從而加工出模具 9 。三維管片和模具測量系統(tǒng)就是激光跟蹤測量系統(tǒng)的一個工程實踐應(yīng)用（圖2.8 ），通過跟蹤測量已經(jīng)制成成品的管片各面上的空間點的坐標，經(jīng)過坐標系 轉(zhuǎn)換糾正，將各面上的數(shù)據(jù)點擬合成平面或曲面，檢驗管片的尺寸與設(shè)計尺寸的 偏差，以便判斷成品的質(zhì)量是否合格。比起傳統(tǒng)的檢測測量方法，此套系統(tǒng)測量 速度快，能在短時間內(nèi)采集大量空間數(shù)據(jù)點信息，同時可以直接處理數(shù)據(jù)，給出 成果報表，工作效率高，也大大節(jié)省了人力物力，一般只需要一個計算機操控人 員及一個手持反射器移動的作業(yè)人員 。該套系統(tǒng)同樣也適用于制造管片的模具的 測量檢測。圖 2.8 三維管片和模具測量系統(tǒng)在

16、汽車工業(yè)領(lǐng)域中，激光跟蹤測量系統(tǒng)常用來在線檢測車身、測量汽車外 形、汽車工裝檢具的檢測與調(diào)整。在文獻 10 中舉出了汽車外形測量的實例，通 過激光跟蹤儀采集汽車不同部位的點云數(shù)據(jù) ，再進行拼接得到完整的汽車曲面點云數(shù)據(jù)，利用三維造型軟件得到汽車三維模型，在測量過程中，應(yīng)調(diào)整好激光跟蹤儀與汽車的相對位置，盡量減小角向測量長度，提高汽車點云數(shù)據(jù)精度。如果 激光跟蹤儀能配合輕便型三坐標測量機等精密測量設(shè)備連接測量 ，則能對汽車輪 廓等大型零件表面不易測量的凹槽等部位進行測量 ，得到較高精度的汽車點云數(shù) 據(jù)，提高汽車車身曲面擬合的精度。另外，汽車的生產(chǎn)線都需要以最高級別的自動化程度和準確性進行定期檢

17、測，以進行重復性和適產(chǎn)性的測試。激光跟蹤測量系統(tǒng)這種移動坐標測量設(shè)備， 適合工業(yè)現(xiàn)場使用，在檢測工程中使汽車生產(chǎn)的停工期大幅縮短，在生產(chǎn)線上的 工裝、夾具和檢具也能進行精密的現(xiàn)場檢測。 Leica 的 LTD 800 激光跟蹤測量系統(tǒng)已經(jīng)在萊比錫工廠的 BMW 新車試生產(chǎn)階段運用于生產(chǎn)線工具裝備的檢測中圖 2.9 )55。圖 2.9 LTD 800 在萊比錫工廠的 BMW 新車試生產(chǎn)階段的應(yīng)用在航天航空制造業(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格的

18、檢測。在飛行器裝配過程中的測量誤差可能會導致很嚴重的后果，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，零部件的檢測，飛機的維修等工程項目的需要。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，保證所 要測量到的外形尺寸空間點都在一個坐標系中，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狀態(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)域的飛機外形坐標點 ，將各個測站的飛機外形坐標連接起來就 構(gòu)成

19、整架飛機的外形尺寸坐標，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（圖 2.10 ）。圖 2.10 飛機外形尺寸的測繪在造船工業(yè)領(lǐng)域中，激光跟蹤測量系統(tǒng)常用于輪船外形尺寸的檢測，重要部件安裝位置的檢測，逆向工程等。激光跟蹤測量系統(tǒng)的高精度，激光束射程遠， 在制造業(yè)、機械業(yè)、質(zhì)量控制業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖笮筒考?、機械零件的測量檢測能更有 效地實現(xiàn)。圖 2.11 輪船外形尺寸的檢測圖 2.12 輪船外形在科研領(lǐng)域中，激光跟蹤測量系統(tǒng)已在機器人的制造校準過程使用。機器人 在工廠機械安裝、馬達驅(qū)動安裝、夾具重組等整個生產(chǎn)周期過

20、程中如果能維持它 的精確度，那么它才是一個成功的工業(yè)機器人。機器人的設(shè)計尺寸與實際生產(chǎn)尺 寸的偏差往往在 8-15 mm 之間，主要是由于機械公差和部件安裝時所產(chǎn)生的誤差 所引起的。在校準機器人的實際應(yīng)用中，有兩個相鄰的工作測量組，一組負責裝 配機器人，一組則負責檢測校準安裝部件，激光跟蹤測量系統(tǒng)則安置在這兩個測 量組之間。操作人員通過計算機控制定位，激光跟蹤測量系統(tǒng)可以檢測兩個工作 小組的測量工作。在一組操作人員利用激光跟蹤儀檢測機器人配件的同時，另一 組工作人員則負責裝配已經(jīng)經(jīng)過檢測的工件 ，裝配完后再利用激光跟蹤儀進行校 準。依此類推，大幅提高了機器人生產(chǎn)安裝的工作效率，也節(jié)省人力物力（

21、圖2.13 )美國API公司 激光跟蹤儀作為一種高精度便攜式的三坐標測量設(shè)備，在世界汽車制造業(yè)的用途不斷擴增。美國API公司作為激光跟蹤儀發(fā)明人，上海通用選用該公司的Trackerll(Plus)激光跟蹤儀用于生產(chǎn)現(xiàn)場工裝檢測以及白車身和沖壓件測量。以下的解決方案將有效改觀傳統(tǒng)的光線阻斷問題：一個是晶鼢Z(ADM , Absolute Distanee Measurement)技術(shù)，另一個是智能測頭技術(shù)(Intelliprobe)。傳統(tǒng)的激光跟蹤儀采用激光干涉的原理， 的光線始終不能被阻斷，這在測量汽車工裝 技術(shù)基于紅外光脈沖反射拍頻計數(shù)原理， 位置，再令跟蹤頭指向靶球?qū)嵤y量，其來測量靶球到

22、跟蹤頭的距離，要求激光頭和靶球間 夾具時往往是很難保證。API的絕對測距(ADM) 允許跟蹤過程中斷光， 甚至可直接將靶球放至目標TrackerII (Plus)所支持的智能測頭技術(shù)10m內(nèi)測量精度可達 0.02mm。事實證明，ADM技術(shù)有助于在線檢測汽車夾具重復定位精度的提高，通常將光學靶安裝在活動的夾頭上，待每次夾頭到達工作位置后，軟件驅(qū)動跟蹤頭便指向光學靶的理論位置， 而 實際上每次夾頭所處位置都將偏離理論值，跟蹤頭將在理論位置周圍以螺旋線軌跡運動搜索光學靶，鎖定目標后再用 ADM技術(shù)測出光學靶到跟蹤頭的距離，從而計算出此時夾頭所處 實際位置。在軟件的配合下，激光跟蹤儀能在極短時間內(nèi)(通常只需幾秒鍾)，測到多個夾頭的重復定位精度，精度遠高出數(shù)碼相機交匯