激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)在飛機(jī)裝配工裝制造和工裝檢測(cè)方面的應(yīng)用已趨于成熟，但在產(chǎn)品外形測(cè)量中應(yīng)用不是十分廣泛。通過(guò)對(duì)Leica AT901-MR激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)功用及原理分析，重點(diǎn)對(duì)T-Probe的使用進(jìn)行研究，摸索和總結(jié)了一套適用于型胎、大型裝配件等的測(cè)量方法，具有推 廣價(jià)值，同時(shí)為進(jìn)一步研究飛機(jī)數(shù)字化裝配檢測(cè)技術(shù)打下良好基礎(chǔ)。

　　當(dāng)前存在的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)種類很多，在飛機(jī)數(shù)字化裝配中應(yīng)用較為廣泛的主要有三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字照相測(cè)量系統(tǒng)、iGPS系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)。這5種系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，三維激光掃描技術(shù)主要用于檢測(cè)飛機(jī)蒙皮接縫寬度、階差等問(wèn)題；數(shù)字照相測(cè)量系統(tǒng)適合于檢測(cè)細(xì)節(jié)尺寸及通過(guò)快速圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)蒙皮鉚接鉚釘數(shù)目檢測(cè)等；iGPS系統(tǒng)能建立一個(gè)大尺寸的空間坐標(biāo)系，所有測(cè)量任務(wù)都可在此坐標(biāo)系下完成且無(wú)需轉(zhuǎn)站，但缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)型胎外形測(cè)量已得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)測(cè)量件的尺寸和是否可移動(dòng)有嚴(yán)格限制；激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)是當(dāng)前飛機(jī)制造中應(yīng)用最廣泛的一種方法，在裝配工裝制造和工裝檢測(cè)方面應(yīng)用已趨于成熟，但在產(chǎn)品外形測(cè)量中應(yīng)用不是十分廣泛。

　　本文基于Leica AT901-MR系列激光跟蹤儀進(jìn)行分析，尤其對(duì)T-Probe的6D測(cè)量進(jìn)行深入研究，旨在總結(jié)出一套適用于型胎、大型裝配件等測(cè)量方法。

　　1、測(cè)量?jī)x器及系統(tǒng)組成

　　本研究采用的儀器是瑞典Leica公司生產(chǎn)的AT901-MR系列激光跟蹤儀，分為硬件和軟件兩個(gè)系統(tǒng)。

　　硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)、控制器、用戶PC、靶球、溫度傳感器和六坐標(biāo)便攜式測(cè)量系統(tǒng)（T-Probe）等，如圖1所示；軟件系統(tǒng)包括EmScon系統(tǒng)軟件和Metrolog XG測(cè)量軟件，可在9m半徑范圍內(nèi)，360°旋轉(zhuǎn)角、±45°俯仰角對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)空間長(zhǎng)度測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.060mm，空間點(diǎn)位置測(cè)量重復(fù)性小于0.020mm。

　　

　　主機(jī)：是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)含激光干涉儀和絕對(duì)測(cè)距儀，通過(guò)它發(fā)出和接收反射回的激光束；

　　控制器：控制跟蹤儀發(fā)出指令、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、傳遞數(shù)據(jù)、為跟蹤儀主機(jī)供電等；

　　T-Scan：是一種非接觸式高速激光掃描儀；

　　T-Probe：是一種手持式可移動(dòng)無(wú)線通訊接觸式傳感器；

　　電機(jī)電纜：主機(jī)和控制器間的供電線路；

　　傳感器電纜：主機(jī)和控制器間的信號(hào)傳遞線路；

　　靶球：是被激光跟蹤儀跟蹤的光學(xué)目標(biāo)，能使入射的激光束平行原路返回跟蹤儀，有不同的規(guī)格，如6.35mm和19.05mm等；

　　系統(tǒng)軟件EmScon：分為客戶端和服務(wù)器端，在使用PC上安裝的是客戶端，其功能是設(shè)置修改、現(xiàn)場(chǎng)檢查、補(bǔ)償和跟蹤儀服務(wù)改動(dòng)，服務(wù)器端位于控制器內(nèi)部；

　　測(cè)量軟件Metrolog XG： Metrolog XG的操作界面如圖2所示。

　　

　　2、測(cè)量原理

　　主機(jī)測(cè)量出靶球相對(duì)于激光跟蹤儀的水平方位角、垂直方位角和相對(duì)距離，這些信息經(jīng)傳感器電纜傳遞給控制器，經(jīng)控制器整理計(jì)算后，部分信息回傳給主機(jī)，使激光束始終鎖定移動(dòng)中的靶球；另一部分信息傳輸給PC，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
激光跟蹤儀得到的測(cè)量數(shù)據(jù)定義了一個(gè)完整的球體坐標(biāo)系。原點(diǎn)是主機(jī)反射鏡中心，根據(jù)三角函數(shù)公式可將球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，坐標(biāo)系原點(diǎn)仍在反射鏡中心，稱作base或本機(jī)坐標(biāo)系，被固化在硬盤中，不能被執(zhí)行刪除、更名等操作。base坐標(biāo)系也是開(kāi)始一個(gè)新工作的起始坐標(biāo)系，如圖3所示。

　　

　　3、型胎測(cè)量應(yīng)用

　　3.1 常用坐標(biāo)系建立方法

　　3.1.1 一面兩點(diǎn)法

　　一面兩點(diǎn)法即用一個(gè)平面和兩個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)系。實(shí)際點(diǎn)和理論點(diǎn)可以是：點(diǎn)、圓、球、方、圓環(huán)或橢圓元素。為計(jì)算坐標(biāo)系，第一個(gè)點(diǎn)和第二個(gè)點(diǎn)不能是一個(gè)點(diǎn)，也不能在垂直于平面的一條直線上。如圖4所示，面1為理論平面，點(diǎn)2和點(diǎn)3為理論點(diǎn)，面4為實(shí)際平面，點(diǎn)5和點(diǎn)6為實(shí)際點(diǎn)。其原理是調(diào)節(jié)每一個(gè)元素的理論值達(dá)到測(cè)量值，面將固定2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度，第一個(gè)點(diǎn)固定2個(gè)平移自由度，第二個(gè)點(diǎn)固定一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

　　例：通過(guò)一面兩點(diǎn)創(chuàng)建坐標(biāo)系。

　　參考系→一面兩點(diǎn)→在每一個(gè)區(qū)域選擇要構(gòu)建坐標(biāo)系的元素。在Plane區(qū)域軟件自動(dòng)顯示在測(cè)量的最后平面上，在Position #1和Position #2區(qū)域軟件自動(dòng)顯示最后的測(cè)量元素。點(diǎn)擊“Create”創(chuàng)建，坐標(biāo)系PSC1會(huì)出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　

　　3.1.2 六點(diǎn)法

　　用六點(diǎn)法建立參考系必須在3D視圖上有CAD模型。通過(guò)連接CAD模型上的定義點(diǎn)和零件上相似位置的測(cè)量點(diǎn)找正零件。

　　6個(gè)點(diǎn)的選擇原則是：點(diǎn)1~3選擇在1個(gè)平面上，限制2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和1個(gè)平移自由度，點(diǎn)4、5選擇另一方向來(lái)限制1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和1個(gè)平移自由度，點(diǎn)6選擇第三方向來(lái)限制最后1個(gè)平移自由度，這3個(gè)方向盡量選擇在垂直的平面上。

　　例：通過(guò)六點(diǎn)法創(chuàng)建坐標(biāo)系。

　　參考系→一面兩點(diǎn)→定義6個(gè)點(diǎn)→測(cè)量6個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)擊“Create”創(chuàng)建，軟件提示對(duì)齊，點(diǎn)擊“Accept”接受對(duì)齊，坐標(biāo)系PSC1會(huì)出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　3.1.3 最佳擬合法

　　最佳擬合法通過(guò)對(duì)已存在理論值的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值和理論值比較，通過(guò)平移、縮放和旋轉(zhuǎn)來(lái)找正零件，需要幾個(gè)必要條件：元素必須是幾何點(diǎn)測(cè)量的元素；所有點(diǎn)都被認(rèn)作激光準(zhǔn)確性；使用無(wú)運(yùn)動(dòng)應(yīng)力。如果有一個(gè)條件達(dá)不到，最佳擬合法就無(wú)法運(yùn)算。

　　例：通過(guò)最佳擬合法建立坐標(biāo)系。（1）取消溫度補(bǔ)償功能。CMM→工件溫度補(bǔ)償→取消“Activate compensation”前面的勾選→點(diǎn)擊“Accept”。后續(xù)可通過(guò)測(cè)量窗口計(jì)數(shù)器的顏色來(lái)判斷溫度補(bǔ)償功能是否被激活，當(dāng)顏色為藍(lán)色表示當(dāng)前無(wú)補(bǔ)償，當(dāng)顏色為紅色表示當(dāng)前有溫度補(bǔ)償。（2）導(dǎo)入并測(cè)量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。文件→輸入→選擇.txt格式文件→勾選“Geometrical Points”→點(diǎn)擊“import”。要注意的是.txt文件對(duì)數(shù)據(jù)格式有嚴(yán)格要求，用逗號(hào)隔開(kāi)，IJK向量可不寫。在特性數(shù)據(jù)庫(kù)窗口選擇剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)→從實(shí)際值定義→刪除實(shí)際值→測(cè)量。（3）建立坐標(biāo)系。參考系→最佳擬合→點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)選取”進(jìn)入特性數(shù)據(jù)庫(kù)→選擇（2）中測(cè)量完成的點(diǎn)后點(diǎn)擊“selec Feat”→在Modify窗口中將“Direction”選項(xiàng)選擇XYZ之后關(guān)閉→點(diǎn)擊計(jì)算圖標(biāo)→勾選“Scale”中兩處選項(xiàng)加入溫度補(bǔ)償→重新點(diǎn)擊計(jì)算圖標(biāo)。點(diǎn)擊“Accept”創(chuàng)建，軟件提示對(duì)齊，點(diǎn)擊“Accept”接受對(duì)齊，坐標(biāo)系PSC1會(huì)出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫(kù)中。
3.2 外形檢測(cè)

　　外形檢測(cè)原理是將CAD模型和實(shí)際測(cè)量值作對(duì)比，使用T-Probe在6D狀態(tài)下測(cè)量，較靶球檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：第一，可進(jìn)行復(fù)雜曲面測(cè)量，當(dāng)被測(cè)量的曲面部分激光無(wú)法照射過(guò)來(lái)，或者被測(cè)量部分被隱藏或凹陷在其他件下方，靶球不能接收激光束無(wú)法完成檢測(cè)，而T-Probe對(duì)測(cè)量隱藏的孔或腔同樣可獲得極高的精度；第二，T-Probe具備自動(dòng)探頭補(bǔ)償；靶球接收激光束后，返回的位置信息是球的球心，在最終判定結(jié)論時(shí)，需要去掉靶球半徑的值，不直觀，而T-Probe具備探頭補(bǔ)償功能，返回的位置信息即探頭和型胎的接觸點(diǎn)位置，不需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換。例：測(cè)量某零件型胎外形。

　?。?）建立型胎坐標(biāo)系。詳見(jiàn)3.1節(jié)常用坐標(biāo)系建立方法。

　　（2）輸入CAD模型。CAD→打開(kāi)CAD文件→選擇.su3格式文件打開(kāi)→點(diǎn)擊“Ouvrir”。此時(shí)，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)CAD模型信息。（3）測(cè)量型面。將T-Probe開(kāi)關(guān)打開(kāi)，保證LED燈是亮著的，將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會(huì)自動(dòng)識(shí)別并激活它。待聽(tīng)到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測(cè)量狀態(tài)。點(diǎn)擊功能欄至測(cè)量模式，選擇測(cè)量曲面點(diǎn)，曲面點(diǎn)類型選擇Surface（曲面點(diǎn)投影到曲面上），搜索距離為5mm。點(diǎn)擊T-Probe上的測(cè)量按鈕，結(jié)果會(huì)自動(dòng)顯示在結(jié)果窗口。特別提示：使用T-Probe時(shí)，探頭要和測(cè)量曲面垂直。

　　3.3 胎線（零件邊緣線）的檢測(cè)

　　胎線測(cè)量原理同型胎外形測(cè)量,通常選取針尖探頭。例：測(cè)量某零件胎線。（1）建立型胎坐標(biāo)系。詳見(jiàn)3.1節(jié)常用坐標(biāo)系建立方法。（2）輸入CAD模型。CAD→打開(kāi)CAD文件→選擇.su3格式文件打開(kāi)→點(diǎn)擊“Ouvrir”。此時(shí)，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)CAD模型信息。需要說(shuō)明的是，此處的CAD模型是一條或多條曲線。（3）測(cè)量胎線。將T-Probe開(kāi)關(guān)打開(kāi)，保證LED燈為開(kāi)啟狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會(huì)自動(dòng)識(shí)別并激活它。待聽(tīng)到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測(cè)量狀態(tài)。點(diǎn)擊功能欄至測(cè)量模式，選擇測(cè)量曲面點(diǎn)，曲面點(diǎn)類型選擇“Curve”（曲面點(diǎn)投影在一個(gè)曲線類型的CAD上），搜索距離為5mm。點(diǎn)擊T-Probe上的測(cè)量按鈕，結(jié)果會(huì)自動(dòng)顯示在結(jié)果窗口。

　　4、大型裝配件測(cè)量應(yīng)用

　　4.1 坐標(biāo)系建立方法

　　4.1.1 產(chǎn)品固定在裝配工裝上的坐標(biāo)系建立方法

　　產(chǎn)品裝配后如果可重新回到裝配工裝上，可借用裝配工裝的基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)建立坐標(biāo)系。但這一做法的前提條件是裝配工裝在設(shè)計(jì)之初必須保證產(chǎn)品位置不動(dòng)，即裝配工裝是基于產(chǎn)品位置進(jìn)行設(shè)計(jì)的。此類情況通常可采用最佳擬合法和六點(diǎn)法來(lái)建立坐標(biāo)系。常用坐標(biāo)系建立方法詳見(jiàn)3.1節(jié)。

　　4.1.2 產(chǎn)品不在裝配工裝上的坐標(biāo)系建立方法

　　如果出于某些原因產(chǎn)品無(wú)法回到裝配工裝上，同樣可使用六點(diǎn)法來(lái)建立坐標(biāo)系。前期準(zhǔn)備工作尤為重要。首先，要在CATIA中抽取產(chǎn)品的關(guān)鍵外形面，建立一個(gè)CAD數(shù)模，特別提示：最好不要直接使用產(chǎn)品數(shù)模；第二，對(duì)于大型裝配件來(lái)說(shuō)，數(shù)模復(fù)雜，直接轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，易死機(jī)；第三，大型裝配件外層是蒙皮等較薄零件時(shí)，兩層曲面距離較近，后續(xù)測(cè)量時(shí)軟件自動(dòng)選擇投影面時(shí)易選擇錯(cuò)誤，造成最終結(jié)果偏差；最后，一定要將產(chǎn)品固定，六點(diǎn)法建立的坐標(biāo)系是基于產(chǎn)品的實(shí)際位置與理論點(diǎn)之間的擬合，一旦產(chǎn)品位置改變，坐標(biāo)系需重新建立。

　　4.2 產(chǎn)品外形檢測(cè)

　　對(duì)于大型裝配件的外形檢測(cè)，如果簡(jiǎn)單地將產(chǎn)品CAD數(shù)模調(diào)入Metrolog是不容易轉(zhuǎn)換的。通過(guò)多年的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套方法：聯(lián)合激光跟蹤儀和CATIA可實(shí)現(xiàn)在激光跟蹤儀有效范圍內(nèi)的任何大型裝配件的外形檢測(cè)。

　?。?）測(cè)量外形。將T-Probe開(kāi)關(guān)打開(kāi)，保證LED燈在工作狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會(huì)自動(dòng)識(shí)別并激活它。待聽(tīng)到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測(cè)量狀態(tài)，點(diǎn)擊功能欄至測(cè)量模式，選擇測(cè)量幾何點(diǎn)出現(xiàn)如下窗口。特別提示，在測(cè)量前要保證溫度補(bǔ)償已經(jīng)打開(kāi)，可通過(guò)計(jì)數(shù)器顏色進(jìn)行判斷。點(diǎn)擊T-Probe上測(cè)量按鈕，點(diǎn)擊“Accept”完成所需點(diǎn)的測(cè)量。

　?。?）實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出。文件→輸出→選擇輸出.txt格式→選擇輸出路徑→勾選“高級(jí)”進(jìn)行輸出設(shè)置→用“數(shù)據(jù)選取”來(lái)打開(kāi)特性數(shù)據(jù)庫(kù)選取元素；用“刪除”來(lái)刪除要輸出的元素；用“上下選取”來(lái)移動(dòng)元素排序→點(diǎn)擊“輸出”鍵輸出文件。

　?。?）數(shù)據(jù)處理。打開(kāi)輸出的.txt文件→僅保留點(diǎn)名稱和XYZ坐標(biāo)值→保存.txt文件。

　　（4）輸入點(diǎn)云。打開(kāi)CATIA→新建Digitized Shape Editor→點(diǎn)擊輸入點(diǎn)云→選擇剛剛保存過(guò)的.txt文件→點(diǎn)擊應(yīng)用→點(diǎn)擊確定→結(jié)構(gòu)樹(shù)上出現(xiàn)點(diǎn)云圖標(biāo)→更改點(diǎn)云屬性符號(hào)→屏幕上可見(jiàn)點(diǎn)云。

　　（5）結(jié)果分析。啟用零件設(shè)計(jì)→將點(diǎn)云定義成單獨(dú)的點(diǎn)→結(jié)構(gòu)樹(shù)上出現(xiàn)單獨(dú)的點(diǎn)→隱藏點(diǎn)云→導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)模→測(cè)量分析，如圖5所示。

 　　5、結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)Leica公司生產(chǎn)的AT901-MR系列激光跟蹤儀測(cè)量原理進(jìn)行分析，總結(jié)出了一套檢測(cè)型胎及大型裝配件方法。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法行之有效，可在工廠中推廣應(yīng)用。