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(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對空間運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，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(jìn)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?jǐn)z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(tuán)在我國第一次引進(jìn)了SMART310激光跟蹤系統(tǒng)；2005年上海盾構(gòu)公司引進(jìn)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(kuò)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統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、反射器（靶鏡）及測量附件等組成的。在本文中，實(shí)驗(yàn)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LTD600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(shí)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(yuǎn)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(gè)軸，三軸相交的中心是測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)。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(jī)和傳感器電纜、帶LAN電纜的應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(gè)編碼器用于角度測量和一只直接供電的DC電動機(jī)來進(jìn)行遙控移動。傳感器頭的油缸包含了一個(gè)測量距離差的單頻激光干涉測距儀（IFM），還有一個(gè)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(jì)數(shù)器、電動機(jī)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)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(jì)算機(jī)上，同理從計(jì)算機(jī)中發(fā)出的指令也可以通過跟蹤處理器進(jìn)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(jī)電纜分別用來完成傳感器和電動機(jī)與控制器之間的連接。LAN#p#分頁標(biāo)題#e#電纜則用于跟蹤處理器和應(yīng)用計(jì)算機(jī)之間的連接。

(4) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)：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(diǎn)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(jì)算激光反射時(shí)是必需的，并通過串行接口被傳送給聯(lián)機(jī)的計(jì)算機(jī)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(yùn)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(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)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(dāng)目標(biāo)移動時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)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(gè)在空間中運(yùn)動的點(diǎn)，同時(shí)確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

    激光跟蹤儀的坐標(biāo)測量是基于極坐標(biāo)測量原理的（圖2.5）。測量點(diǎn)的坐標(biāo)由跟蹤頭輸出的兩個(gè)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(jì)算出來的。本系統(tǒng)在實(shí)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(biāo)測量原理

計(jì)算公式為：

              （2.1）

    系統(tǒng)的工作原理從以下幾個(gè)部分進(jìn)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(dá)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(jìn)馬達(dá)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(jìn)行相對距離測量和絕對距離測量。IFM是基于光學(xué)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(zhǔn)距離。ADM裝置的功能就是自動重新初始化IFM，獲取基準(zhǔn)距離。ADM通過測定反射光的光強(qiáng)最小來判斷光所經(jīng)過路徑的時(shí)間，來計(jì)算出絕對距離。當(dāng)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(zhǔn)距離，就能計(jì)算出跟蹤頭中心到空間點(diǎn)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(jìn)入光電探測器，當(dāng)反射器移動時(shí)，這部分光將會在光電探測器上產(chǎn)生一個(gè)偏移值，光電探測器根據(jù)偏移值會自動控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動直到偏移值為零，實(shí)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(zhǔn)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#p#分頁標(biāo)題#e#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(dá)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(dá)，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(shí)，干涉法距離測量的精度還受到基準(zhǔn)距離校準(zhǔn)精度的影響，因?yàn)榛鶞?zhǔn)距離校準(zhǔn)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，它的距離測量分辨率達(dá)，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(dá)，垂直方向的量測范圍為。

    在測量范圍內(nèi)，IFM相對坐標(biāo)測量精度達(dá)到 (即)；ADM絕對坐標(biāo)測量精度達(dá)到 (即)。當(dāng)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(shí)際的機(jī)械加工，安裝調(diào)整誤差和電子零點(diǎn)誤差等影響，軸系間不可能到達(dá)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(gè)校準(zhǔn)參數(shù)，分別是：水平軸傾斜誤差i、旋轉(zhuǎn)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(biāo)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(yàn)類似于經(jīng)緯儀或全站儀的檢驗(yàn)，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(zhǔn)程序，操作人員只要將測定的誤差參數(shù)存于應(yīng)用計(jì)算機(jī)中，在實(shí)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(bǔ)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(shí)給出了一組校準(zhǔn)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(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊懀脩粢矐?yīng)自行檢測。校準(zhǔn)方法可參考經(jīng)緯儀等的校準(zhǔn)，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(gè)基準(zhǔn)距離，即跟蹤頭中心到鳥池的距離，基準(zhǔn)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(xiàn)[7]中提出，選取兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)1、2，兩點(diǎn)相距3～4m，確保兩點(diǎn)基本與跟蹤頭處于同一高度，在A，B兩點(diǎn)分別設(shè)站，分別觀測1、2點(diǎn)的水平角、垂直角、距離三類共12個(gè)觀測值，根據(jù)余弦定理可以計(jì)算出C值。

    具體計(jì)算公式為：

（2.2）

兩式并整理得：

               （2.3）

式中，

 （2.4）

   在實(shí)際計(jì)算基距誤差中，根據(jù)圖#p#分頁標(biāo)題#e#2.7所示，在A、B兩站分別觀測1、2兩點(diǎn)，按式(2.3)可以計(jì)算得出基距誤差C。

圖2.7 基準(zhǔn)距離校準(zhǔn)方法

    實(shí)際上，C的值是基準(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)。

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(shí)現(xiàn)精確的角度測量；專利的徠卡激光干涉儀實(shí)現(xiàn)精確的相對距離測量；高精度的絕對測距儀則實(shí)現(xiàn)快速檢測。這些特點(diǎn)彌補(bǔ)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(diǎn)。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(diǎn)，使它的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。

    在重型機(jī)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(yàn)每個(gè)成品零部件的尺寸是否與設(shè)計(jì)尺寸完全一致，同時(shí)迅速地?cái)?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(jī)械領(lǐng)域中，逆向工程(Reverse Engineering)是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)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(biāo)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(jìn)行掃描測量后建立數(shù)據(jù)模型，由數(shù)據(jù)模型生成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(gè)工程實(shí)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(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換糾正，將各面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成平面或曲面，檢驗(yàn)管片的尺寸與設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)采集大量空間數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，同時(shí)可以直接處理數(shù)據(jù)，給出成果報(bào)表，工作效率高，也大大節(jié)省了人力物力，一般只需要一個(gè)計(jì)算機(jī)操控人員及一個(gè)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(xiàn)[10]中舉出了汽車外形測量的實(shí)例，通過激光跟蹤儀采集汽車不同部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行拼接得到完整的汽車曲面點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。如果激光跟蹤儀能配合輕便型三坐標(biāo)測量機(jī)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(jìn)行測量，得到較高精度的汽車點(diǎn)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(zhǔn)確性進(jìn)行定期檢測，以進(jìn)行重復(fù)性和適產(chǎn)性的測試。激光跟蹤測量系統(tǒng)這種移動坐標(biāo)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(jìn)行精密的現(xiàn)場檢測。Leica的LTD800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(yùn)用于生產(chǎn)線工具裝備的檢測中（圖2.9）^[55]。

圖2.9 LTD800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(yán)格等特點(diǎn)。飛行器的裝配通常是在各部件分別安裝后再進(jìn)行總體裝配，在部裝的某些環(huán)節(jié)和總裝的整個(gè)過程中都需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。在飛行器裝配過程中的測量誤差可能會導(dǎo)致很嚴(yán)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(shí)時(shí)性以及它的高精度性都滿足了飛機(jī)行架的定位安裝，飛機(jī)外形尺寸的檢測，零部件的檢測，飛機(jī)的維修等工程項(xiàng)目的需要。#p#分頁標(biāo)題#e#

測量一架大型飛機(jī)的內(nèi)外形尺寸，首先要確定整架飛機(jī)的空間坐標(biāo)，保證所要測量到的外形尺寸空間點(diǎn)都在一個(gè)坐標(biāo)系中，要求布置足夠的測站，這些測站就保證了飛機(jī)上、下、左、右、前、后等整個(gè)外形都在激光跟蹤儀測量范圍內(nèi)。其次要保證飛機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，測量過程中不能產(chǎn)生移動。激光跟蹤儀在每一個(gè)測站測量某一個(gè)區(qū)域的飛機(jī)外形坐標(biāo)點(diǎn)，將各個(gè)測站的飛機(jī)外形坐標(biāo)連接起來就構(gòu)成整架飛機(jī)的外形尺寸坐標(biāo)，將這些點(diǎn)處理后就形成了飛機(jī)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(jī)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(yuǎn)，在制造業(yè)、機(jī)械業(yè)、質(zhì)量控制業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖笮筒考C(jī)械零件的測量檢測能更有效地實(shí)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(jī)器人的制造校準(zhǔn)過程使用。機(jī)器人在工廠機(jī)械安裝、馬達(dá)驅(qū)動安裝、夾具重組等整個(gè)生產(chǎn)周期過程中如果能維持它的精確度，那么它才是一個(gè)成功的工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人的設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際生產(chǎn)尺寸的偏差往往在8-15mm之間，主要是由于機(jī)械公差和部件安裝時(shí)所產(chǎn)生的誤差所引起的。在校準(zhǔn)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，有兩個(gè)相鄰的工作測量組，一組負(fù)責(zé)裝配機(jī)器人，一組則負(fù)責(zé)檢測校準(zhǔn)安裝部件，激光跟蹤測量系統(tǒng)則安置在這兩個(gè)測量組之間。操作人員通過計(jì)算機(jī)控制定位，激光跟蹤測量系統(tǒng)可以檢測兩個(gè)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(jī)器人配件的同時(shí)，另一組工作人員則負(fù)責(zé)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(jìn)行校準(zhǔn)。依此類推，大幅提高了機(jī)器人生產(chǎn)安裝的工作效率，也節(jié)省人力物力