faro激光跟踪仪工作原理

1、1激光跟踪仪的优点 传统的飞机全机水平测量一般是采用常规的光学仪器, 即用水平仪和经纬仪对飞机的安装角和对称性进行测量, 但这种测量方法有测量效率低、人为误差比较大及测量精度比较差等缺点。随着飞机性能不断提高, 对飞机外形的要求也越来越高, 因此对全机调平误差提出了更高的要求,有些飞机调平误差为0.5 mm 以下, 常规光学仪器已不能满足水平测量的要求。而全机水平测量是检测最终产品安装精度是否满足技术要求的必须的检测项目, 目前工厂的型架安装已经完全采用激光跟踪仪定位安装, 部分重要机加件也全部采用数字化测量技术。激光跟踪测量系统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

2、、光电探测、精密机械、计算机及控制、现代数值计算理论等各种先进技术, 可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, 适合大尺寸工件装配测量, 因此适用于飞机类产品空间点位的测量。2激光跟踪仪测量系统的组成及原理v激光跟踪仪测量系统的组成及原理v 激光跟踪仪实际上是一台激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪, 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。激光跟踪仪可以连续的瞄准、跟踪并确定由移动或稳定的反射目标返回激光束的位置。简单的说, 激光跟踪测量系统可静态或动态地跟踪一个

3、在空中运动的点, 由此形成球坐标测量系统, 并测得三个位置参量、即可确定目标直角坐标系的位置矢量P = (x， y， z)。vx =OP sincosvy = OP sinsinvz = OP cosv其中，是有两个角度编码器来读出的，OP是有经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算公式，可计算位移量OPv 两个角编码器自动测量靶标相对于跟踪仪的水平方位角和垂直方位角；靶标与激光跟踪仪之间的距离由激光干涉仪测量。这些信息经传感器电缆传给激光跟踪仪控制机，跟踪仪控制机整理计算后，一部分信息经马达电缆反馈回激光跟踪仪，控制伺服马达，使激光束始终锁定移动中的靶标；另一部分信息

4、经局域网传输给应用处理机，储存在数据库中。3激光干涉仪 从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式式中为 激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果 。456测量的难点及解决措施 v1.坐标系的建立坐标系的建立v 飞机具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件

5、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。v实现测量。转站指的是在相邻的站位之间靠至少几 个共同基点联系起来, 前一个站位测量几个共同基点,下一个站位再次测量这几个共同基点, 然后由计算机测量软件通过拟合计算, 把不同站位

6、信息相互联系, 形成一个统一的坐标系。7v2.坐标点的测量坐标点的测量v 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:v1)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;v2)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v 3.批次测量批次测量v由于站位转换要花费大量的时间, 为了保证在所有的站位都可以测到转站

7、基点, 有时对基点位置需要进行多次调整, 而对于批产飞机, 由于产量大,水平测量工作量比较大, 若每次测量都要重新设置基点, 显然不利于提高测量效率, 因此需要通过设置水平测量位置来解决该问题。即设置一个区域为全机水平测量专用位置, 并在该位置预埋转站基点, 将飞机的位置、激光跟踪仪大致位置做好标识, 在下次测量时则无须再次设置基点, 而利用原基点即可实现多架次、多批次测量, 提高了测量效率。8全机水平测量数据处理及结果验证 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

8、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。 9影响因素v激光跟踪仪通过优化测量方式可以完全实现全机的水平测量工作, 提高了测量效率、精度及可靠性, 具有操作简单、人为干扰因素少、多次测量差异性小等特点，但也有一些影响误差的因素。如：v1 系统误差系统误差v激光跟踪仪系统误差(设备误差)主要有两方面：激光干涉仪测量误差；角编码器测量误差。激光干涉仪分辨率为0001 26 mm，角编码器分辨率为014”。理论上，在不超过10 m测量范围内，激光跟踪仪系统误差不超过0

9、01 mm。但随着测量距离增大，系统误差也将增大；第二方面 靶标及附件的制造误差，靶标及附件的制造误差也是影响系统误差的一个原因。提高附件制造精度，定期检修靶标及附件是控制上述测量误差的有效措施。10v2环境因素环境因素 温度、气压、气流的波动、空气污染将影响光线的传播，导致测量误差的增大；地板的稳固程度、振动、设备用电电流的稳定性不但会造成测量误差的增大，甚至会造成仪器的损坏。针对以上因素，测量时应控制室内温度恒定，不要把仪器摆在厂房门口、空调旁边。保持空气清洁，不要把仪器摆放在地板接缝处或地基不牢处，避免测量区域附近有振源，配置稳压器。v3 操作人员因素操作人员因素 操作人员手持靶标测量时

10、，靶标的运行速度和加速度对测量精度将产生影响，速度过快会使光束折断。搞好培训，提高和增强操作人员的素质和责任心是减小由操作人员产生测量误差的有效措施。11 激光跟踪仪安装型架的优点及建议v激光跟踪仪应用于飞机工装的安装或测量主要有如下优点： （1） 采用数字量传递节省很多标工(样板、样件等)。 （2）测量设备轻巧，移动方便，能进行大尺寸，复杂结构型架的安装测量。 （3）测量精度高，省去了许多中间环节，减少了累积误差，提高了型架的安装精度且重复精度高，检修方便。 （4）在调试安装的过程中，零件上的点的坐标值的差值( 实测值与理论值的差值) 实时显示，操作者能直观、方便的进行调装且速度快，大幅度缩

11、短工装的试制周期。12激光跟踪仪在飞机型面测量中的应用 飞机在部装和总装过程中需要检测的几何参数主要包括轴线偏斜度、定位装置的角度偏差、距离、平行度、垂直度以及部件外形孥日。这些几何参数的计算是通过对一些几何元素(如点、线、型面等)的测量得到的。这些几何元素的测量可直接由激光跟踪仪完成，通过把CAD模型或理论数值和实际测量值作对比来实现。激光跟踪仪测量系统测量型面操作步骤分为三部分。第一步是测前准备工作，第二部分是建立工装坐标系，第三步是在工装坐标系下测量型面隔。这三部分内容既有联系又各自独立，三部分工作可以连续进行，也可以分段进行。下面对每个操作步骤及操作中要注意的事项作详细的介绍。131

12、测前准备工作(1)考察测量现场；(2)跟踪仪设置；(3)作出测量汁划142 建立工装坐标系 确定测量坐标系可采用两种方式。一种方式采用迭代法建立坐标系，可在被测表面拾取多个基准点，然后计算生成坐标系坐标原点。所选6个基准点建立了该表面的测量坐标系 6个基准点分布另一种方式是采用外加基准板或采用飞机制造基准面方式确定测量坐标系，在基准板或飞机制造基准面上选取三个以上基准点进行测量坐标系建立。如果是对整个机身测绘，要进行内外表面全部的多角度多方位测量，则采用第一种坐标系建立方式；若要测量的型面仅是飞机的部件，则采用第二种坐标系建立方式153 测量型面1 导入CAD模型数据 把CAD模型数据导入到测

13、量软件图形显示界面，定义各部位的几何公差和尺寸公差。2 测量过程 (1)简单、规则曲面的测量 空间曲面是通过空间连续的点反映的，简单、规则曲面的测量可以使用反射球在被测量物体表面接触均匀划过，通过它的空间运动轨迹来反映空间曲面。如果测量点越密说明曲面的形位越接近实际曲面，而测量点的疏密是可以通过测量软件来设定的，例如，设定的参数是2mm，则在与前个点的空间距离为2mm处采集第二个点，通过这样的方法就得到了空间曲面的坐标。根据现场测量经验，在对曲率变化较大的面进行测量时，应使跟踪头水平、垂直角度变化范围最小。这是因为根据仪器自身特点，影响测餐准确度最大的因素就在于它的测角，其测量误差要大于测距误

14、差，这是在测量曲率变化较大的面时应把握的个原则。16(2) 复杂曲面的测量 若要测量的曲面部分激光无法照射过来，或者被测量的部分深深的隐藏或凹陷在钣金件的下面，反射球无法完成检测时，可选用7Imobe解决这些问题，T_-Pmbe测量隐藏的洞或腔可获得极高的精度。若要检测的型面比较复杂，不便于接触测量，或者需要扫描部件各个部位用来逆向制造，可选用T_Sc蛐，它可以快速扫描各种材质或者复杂的表面。操作人员手持靶标测量时，靶标的移动速度和加速度对测量精度将产生影响，速度过快会使光束折断，虽然跟踪仪有断光续接功能，但是它是以牺牲一定的精度为代价的。同时应尽量避免测量点的振动以及气流的扰动。17结果处理v实际测量值形成点云，拟合成曲面，把实现测量结果与CAD理论数据比较，按照偏差数据生成色彩表示测量结果。计算测得的几何元素间的相对位置关系(距离、角度等)，查看关键部位的特征符合情况(尺寸公差和几何公差等)。184 数字化检测验收 利用激光跟踪仪对工装连续重复测量3次，对其工装基准进行测量，可验证工装的稳定性、仪器的测量精度等，保证其测量数据精度。同时，使用数字技术验证关键定位器，利用量规对工装进行实际检查等。最后选择适合自己的报告格式，打印测