激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在飛機裝配工裝制造和工裝檢測方面的應用已趨于成熟，但在產品外形測量中應用不是十分廣泛。通過對Leica AT901-MR激光跟蹤儀測量系統(tǒng)功用及原理分析，重點對T-Probe的使用進行研究，摸索和總結了一套適用于型胎、大型裝配件等的測量方法，具有推 廣價值，同時為進一步研究飛機數字化裝配檢測技術打下良好基礎。

　　當前存在的數字化測量系統(tǒng)種類很多，在飛機數字化裝配中應用較為廣泛的主要有三維激光掃描測量系統(tǒng)、數字照相測量系統(tǒng)、iGPS系統(tǒng)、三坐標測量機和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)。這5種系統(tǒng)的側重點各有不同，三維激光掃描技術主要用于檢測飛機蒙皮接縫寬度、階差等問題；數字照相測量系統(tǒng)適合于檢測細節(jié)尺寸及通過快速圖像識別技術進行飛機蒙皮鉚接鉚釘數目檢測等；iGPS系統(tǒng)能建立一個大尺寸的空間坐標系，所有測量任務都可在此坐標系下完成且無需轉站，但缺點是測量精度不高；三坐標測量機對型胎外形測量已得到廣泛應用，但對測量件的尺寸和是否可移動有嚴格限制；激光跟蹤儀測量系統(tǒng)是當前飛機制造中應用最廣泛的一種方法，在裝配工裝制造和工裝檢測方面應用已趨于成熟，但在產品外形測量中應用不是十分廣泛。

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

　　1、測量儀器及系統(tǒng)組成

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

　　硬件系統(tǒng)主要包括主機、控制器、用戶PC、靶球、溫度傳感器和六坐標便攜式測量系統(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測量軟件，可在9m半徑范圍內，360°旋轉角、±45°俯仰角對產品進行測量。該測量系統(tǒng)的靜態(tài)空間長度測量不確定度優(yōu)于±0.060mm，空間點位置測量重復性小于0.020mm。

　　

　　主機：是整個測量系統(tǒng)的核心部件，內含激光干涉儀和絕對測距儀，通過它發(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、接收數據、處理數據、傳遞數據、為跟蹤儀主機供電等；

　　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無線通訊接觸式傳感器；

　　電機電纜：主機和控制器間的供電線路；

　　傳感器電纜：主機和控制器間的信號傳遞線路；

　　靶球：是被激光跟蹤儀跟蹤的光學目標，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：分為客戶端和服務器端，在使用PC上安裝的是客戶端，其功能是設置修改、現(xiàn)場檢查、補償和跟蹤儀服務改動，服務器端位于控制器內部；

　　測量軟件Metrolog XG： Metrolog XG的操作界面如圖2所示。

　　

　　2、測量原理

　　主機測量出靶球相對于激光跟蹤儀的水平方位角、垂直方位角和相對距離，這些信息經傳感器電纜傳遞給控制器，經控制器整理計算后，部分信息回傳給主機，使激光束始終鎖定移動中的靶球；另一部分信息傳輸給PC，儲存在數據庫中。
激光跟蹤儀得到的測量數據定義了一個完整的球體坐標系。原點是主機反射鏡中心，根據三角函數公式可將球坐標系下的坐標值轉換成笛卡爾坐標系下的坐標值，坐標系原點仍在反射鏡中心，稱作base或本機坐標系，被固化在硬盤中，不能被執(zhí)行刪除、更名等操作。base坐標系也是開始一個新工作的起始坐標系，如圖3所示。

　　

　　3、型胎測量應用

　　3.1 常用坐標系建立方法

　　3.1.1 一面兩點法

　　一面兩點法即用一個平面和兩個點創(chuàng)建一個坐標系。實際點和理論點可以是：點、圓、球、方、圓環(huán)或橢圓元素。為計算坐標系，第一個點和第二個點不能是一個點，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2和點3為理論點，面4為實際平面，點5和點6為實際點。其原理是調節(jié)每一個元素的理論值達到測量值，面將固定2個旋轉自由度和一個平移自由度，第一個點固定2個平移自由度，第二個點固定一個旋轉自由度。

　　例：通過一面兩點創(chuàng)建坐標系。

　　參考系→一面兩點→在每一個區(qū)域選擇要構建坐標系的元素。在Plane區(qū)域軟件自動顯示在測量的最后平面上，在Position #1和Position #2區(qū)域軟件自動顯示最后的測量元素。點擊“Create”創(chuàng)建，坐標系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數據庫中。

　　

　　3.1.2 六點法

　　用六點法建立參考系必須在3D視圖上有CAD模型。通過連接CAD模型上的定義點和零件上相似位置的測量點找正零件。

　　6個點的選擇原則是：點1~3選擇在1個平面上，限制2個轉動自由度和1個平移自由度，點4、5選擇另一方向來限制1個轉動自由度和1個平移自由度，點6選擇第三方向來限制最后1個平移自由度，這3個方向盡量選擇在垂直的平面上。

　　例：通過六點法創(chuàng)建坐標系。

　　參考系→一面兩點→定義6個點→測量6個點。點擊“Create”創(chuàng)建，軟件提示對齊，點擊“Accept”接受對齊，坐標系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數據庫中。

　　3.1.3 最佳擬合法

　　最佳擬合法通過對已存在理論值的點進行測量，將測量值和理論值比較，通過平移、縮放和旋轉來找正零件，需要幾個必要條件：元素必須是幾何點測量的元素；所有點都被認作激光準確性；使用無運動應力。如果有一個條件達不到，最佳擬合法就無法運算。

　　例：通過最佳擬合法建立坐標系。（1）取消溫度補償功能。CMM→工件溫度補償→取消“Activate compensation”前面的勾選→點擊“Accept”。后續(xù)可通過測量窗口計數器的顏色來判斷溫度補償功能是否被激活，當顏色為藍色表示當前無補償，當顏色為紅色表示當前有溫度補償。（2）導入并測量基準數據點。文件→輸入→選擇.txt格式文件→勾選“Geometrical Points”→點擊“import”。要注意的是.txt文件對數據格式有嚴格要求，用逗號隔開，IJK向量可不寫。在特性數據庫窗口選擇剛導入的數據→從實際值定義→刪除實際值→測量。（3）建立坐標系。參考系→最佳擬合→點擊“數據選取”進入特性數據庫→選擇（2）中測量完成的點后點擊“selec Feat”→在Modify窗口中將“Direction”選項選擇XYZ之后關閉→點擊計算圖標→勾選“Scale”中兩處選項加入溫度補償→重新點擊計算圖標。點擊“Accept”創(chuàng)建，軟件提示對齊，點擊“Accept”接受對齊，坐標系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數據庫中。
3.2 外形檢測

　　外形檢測原理是將CAD模型和實際測量值作對比，使用T-Probe在6D狀態(tài)下測量，較靶球檢測的優(yōu)點是：第一，可進行復雜曲面測量，當被測量的曲面部分激光無法照射過來，或者被測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法完成檢測，而T-Probe對測量隱藏的孔或腔同樣可獲得極高的精度；第二，T-Probe具備自動探頭補償；靶球接收激光束后，返回的位置信息是球的球心，在最終判定結論時，需要去掉靶球半徑的值，不直觀，而T-Probe具備探頭補償功能，返回的位置信息即探頭和型胎的接觸點位置，不需要對測量結果進行二次轉換。例：測量某零件型胎外形。

　?。?）建立型胎坐標系。詳見3.1節(jié)常用坐標系建立方法。

　?。?）輸入CAD模型。CAD→打開CAD文件→選擇.su3格式文件打開→點擊“Ouvrir”。此時，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數據庫出現(xiàn)CAD模型信息。（3）測量型面。將T-Probe開關打開，保證LED燈是亮著的，將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)。點擊功能欄至測量模式，選擇測量曲面點，曲面點類型選擇Surface（曲面點投影到曲面上），搜索距離為5mm。點擊T-Probe上的測量按鈕，結果會自動顯示在結果窗口。特別提示：使用T-Probe時，探頭要和測量曲面垂直。

　　3.3 胎線（零件邊緣線）的檢測

　　胎線測量原理同型胎外形測量,通常選取針尖探頭。例：測量某零件胎線。（1）建立型胎坐標系。詳見3.1節(jié)常用坐標系建立方法。（2）輸入CAD模型。CAD→打開CAD文件→選擇.su3格式文件打開→點擊“Ouvrir”。此時，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數據庫出現(xiàn)CAD模型信息。需要說明的是，此處的CAD模型是一條或多條曲線。（3）測量胎線。將T-Probe開關打開，保證LED燈為開啟狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)。點擊功能欄至測量模式，選擇測量曲面點，曲面點類型選擇“Curve”（曲面點投影在一個曲線類型的CAD上），搜索距離為5mm。點擊T-Probe上的測量按鈕，結果會自動顯示在結果窗口。

　　4、大型裝配件測量應用

　　4.1 坐標系建立方法

　　4.1.1 產品固定在裝配工裝上的坐標系建立方法

　　產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點來建立坐標系。但這一做法的前提條件是裝配工裝在設計之初必須保證產品位置不動，即裝配工裝是基于產品位置進行設計的。此類情況通?？刹捎米罴褦M合法和六點法來建立坐標系。常用坐標系建立方法詳見3.1節(jié)。

　　4.1.2 產品不在裝配工裝上的坐標系建立方法

　　如果出于某些原因產品無法回到裝配工裝上，同樣可使用六點法來建立坐標系。前期準備工作尤為重要。首先，要在CATIA中抽取產品的關鍵外形面，建立一個CAD數模，特別提示：最好不要直接使用產品數模；第二，對于大型裝配件來說，數模復雜，直接轉換時間長，易死機；第三，大型裝配件外層是蒙皮等較薄零件時，兩層曲面距離較近，后續(xù)測量時軟件自動選擇投影面時易選擇錯誤，造成最終結果偏差；最后，一定要將產品固定，六點法建立的坐標系是基于產品的實際位置與理論點之間的擬合，一旦產品位置改變，坐標系需重新建立。

　　4.2 產品外形檢測

　　對于大型裝配件的外形檢測，如果簡單地將產品CAD數模調入Metrolog是不容易轉換的。通過多年的實際操作經驗，總結出了一套方法：聯(lián)合激光跟蹤儀和CATIA可實現(xiàn)在激光跟蹤儀有效范圍內的任何大型裝配件的外形檢測。

　?。?）測量外形。將T-Probe開關打開，保證LED燈在工作狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)，點擊功能欄至測量模式，選擇測量幾何點出現(xiàn)如下窗口。特別提示，在測量前要保證溫度補償已經打開，可通過計數器顏色進行判斷。點擊T-Probe上測量按鈕，點擊“Accept”完成所需點的測量。

　?。?）實測點數據輸出。文件→輸出→選擇輸出.txt格式→選擇輸出路徑→勾選“高級”進行輸出設置→用“數據選取”來打開特性數據庫選取元素；用“刪除”來刪除要輸出的元素；用“上下選取”來移動元素排序→點擊“輸出”鍵輸出文件。

　?。?）數據處理。打開輸出的.txt文件→僅保留點名稱和XYZ坐標值→保存.txt文件。

　?。?）輸入點云。打開CATIA→新建Digitized Shape Editor→點擊輸入點云→選擇剛剛保存過的.txt文件→點擊應用→點擊確定→結構樹上出現(xiàn)點云圖標→更改點云屬性符號→屏幕上可見點云。

　?。?）結果分析。啟用零件設計→將點云定義成單獨的點→結構樹上出現(xiàn)單獨的點→隱藏點云→導入產品數模→測量分析，如圖5所示。

 　　5、結論

　　通過對Leica公司生產的AT901-MR系列激光跟蹤儀測量原理進行分析，總結出了一套檢測型胎及大型裝配件方法。試驗驗證表明，該方法行之有效，可在工廠中推廣應用。