激光跟踪仪讲解.pdf

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1、1.1 概述 激光跟踪测量系统（ Laser Tracker System ）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技术、光电探测技术、精密机械技术、 计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，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，适合于大尺寸工件配装测量。SMART310 是 Leica 公 司在 1990年生产的第一台激光跟踪仪 ， 1993 年 Leica 公司 又推出了 SMART310 的第二代产品，其后， Leica 公司还推出了 LT/LTD 系列的激光跟踪仪，以满

2、足 不同的工业生产需要。 LTD 系列的激光跟踪仪采用了Leica 公司专利的绝对测 距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica 统一的工业测量系统平台 Axyz 下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模 块和数字摄影测量模块等 8 。 激光跟踪系统在我国的应用始于1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引 进了 SMART310 激光跟踪系统； 2005 年上海盾构公司引进了Leica 公司的一套 LTD600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。 1.2 激光跟踪测量系统的基本原理 52 近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了 各自品

3、牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟 踪仪）、控制器、用户计算机、反射器 （靶镜）及测量附件等组成的。在本文中， 实验采用的是 LTD 600激光跟踪测量系统（图2.1 ），因此具体讨论的基本原理 是基于 LTD 600型的激光跟踪测量系统。 图 2.1 LTD600 激光跟踪测量系统 1.2.1 系统的组成 激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区 别之处在于它没有望远镜，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。它的结构原理如图2.2 所示。 系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器

4、、电动机和传感器电缆、带 LAN 电缆的应用计算机以及反射器。 (1) 传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋 转。每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC 电动机来进行遥 控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（IFM ） ， 还有一个绝对距离测量装置（ADM ）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉 处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪 的光电探测器（ PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。 图 2.2 激光跟踪仪结构原理图 (2) 控制器 : 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器

5、、跟踪处 理器和网卡（图 2.3 ） 。跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值， 通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通 过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。 图 2.3 控制器 (3) 电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器 之间的连接。 LAN 电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。 (4) 应用计算机：经过专业人员的配置后，加载了工业用的专业配套软件， 用来发出测量指令和接收测量数据。 (5) 反射器：采用球形结构，因此测量点到测量面的距离是固定的。本系统 中采用三面正交镜的三重镜反射器。 (6) 气象

6、站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是 必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序, 如图 2.4 。 图 2.4 气象站 (7) 测量附件：包括三角支架 、手推服务小车等 。支架用来固定激光跟踪仪， 调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动 激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。 1.2.2 系统的基本原理 7 激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发 出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向 来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位

7、置。简 单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中 运动的点，同时确定目标点的空间坐标。 激光跟踪仪的坐标测量是基于极坐标测量原理的（图2.5 ）。测量点的坐标 由跟踪头输出的两个角度，即水平角H 和垂直角 V，以及反射器到跟踪头的距 离 D 计算出来的。本系统在实际应用中采用的一站法激光跟踪测量系统。 图 2.5 一站法激光跟踪仪坐标测量原理 计算公式为： （2.1 ） 系统的工作原理从以下几个部分进行讨论： （1） 角度测量部分：其工作原理类似于电子经纬仪、马达驱动式全站仪的角度 测量装置，包括水平度盘、垂直度盘、步进马达及读数系统，由于具有跟 踪测量技术，它的

8、动态性能较好。 （2） 距离测量部分：由IFM 装置和 ADM 装置分别进行相对距离测量和绝对 距离测量。IFM 是基于光学干涉法的原理，通过测量干涉条纹的变化来测 量距离的变化量，因此只能测量相对距离。而跟踪头中心到鸟池（图 2.6 ） 的距离是已知固定的，称为基准距离。ADM 装置的功能就是自动重新初 始化 IFM ，获取基准距离。 ADM 通过测定反射光的光强最小来判断光所 经过路径的时间，来计算出绝对距离。当反射器从鸟池内开始移动，IFM 测量出移动的相对距离，再加上ADM 测出的基准距离，就能计算出跟踪 头中心到空间点的绝对距离。 图 2.6 鸟池 （3） 激光跟踪控制部分：由光电探

9、测器（PSD）来完成。反射器反射回的光经 过分光镜，有一部分光直接进入光电探测器，当反射器移动时，这部分光 将会在光电探测器上产生一个偏移值，光电探测器根据偏移值会自动控制 马达转动直到偏移值为零，实现跟踪反射器的目的。 1.2.3 激光跟踪仪的测量精度和系统误差校准方法 激光跟踪仪的测量精度主要取决于测角和测距的精度以及测量环境的影 响。以 Leica 公司的 LTD600型激光跟踪仪为例，它的角度分辨率为0.14 ，角 度测量精度达 2.0 ；单频光外差干涉法测量距离的分辨率为，距离的测 量精度达，其精度主要受到温度和气压测量精度和变化及大气条件均 匀性的影响，同时，干涉法距离测量的精度还

10、受到基准距离校准精度的影响，因 为基准距离校准误差将会成为干涉测距的系统误差；ADM 绝对测距仪采用光偏 振的工作原理，它的距离测量分辨率达，在全量程范围内的距离测量精度为 ；跟踪仪最大量测距离为，水平方向的量测范围达，垂直方 向的量测范围为。 在测量范围内， IFM 相对坐标测量精度达到 ( 即) ；ADM 绝对坐标测量精度达到 ( 即) 。当然系统精度还取决于工作场 地和环境的稳定性，一般要求在室内较稳定的工作条件下。 之前提过激光跟踪仪的三轴，理论上，三轴之间是要保持正交关系，但由于 实际的机械加工，安装调整误差和电子零点误差等影响，轴系间不可能到达理想 的正交状态，这也是系统误差存在的

11、原因。 在李广云教授的论文 8 中指出，按物理意义激光跟踪仪角度测量的系统误差 分为 15 类，即有 15个校准参数，分别是：水平轴倾斜误差i、旋转镜倾斜误差 c、激光束倾斜误差 lx 和 ly、水平轴偏移误差e、旋转镜偏移误差 f、激光束偏移 误差 Ox 和 Oy、平行玻璃板偏移误差O2x 和 O2y、垂直度盘指标差 j、水平度盘 偏心差 Ex 和 Ey、垂直度盘偏心差 Kx 和 Ky。这些系统误差的检验类似于经纬 仪或全站仪的检验，并且在配套的系统软件中已经添置了专门的仪器校准程序， 操作人员只要将测定的误差参数存于应用计算机中，在实际作业中这些参数会被 自动传送到跟踪仪控制器中，用来补偿

12、修正各类测角测距观测值。为了简化操作 过程，在激光跟踪仪出厂前厂家同时给出了一组校准后的参数供用户参考，但考 虑到重新安装、环境变化、长途运输等因素的影响，用户也应自行检测。校准方 法可参考经纬仪等的校准，具体的方法可参考仪器出厂的使用说明书。 不同于经纬仪或全站仪，跟踪仪中有个基准距离，即跟踪头中心到鸟池的距 离，基准距离的测定误差称为基距误差C，它属于测距系统误差。基距误差的测 定方法在文献 7 中提出，选取两个稳定点1、2，两点相距 34m，确保两点基 本与跟踪头处于同一高度，在A ，B两点分别设站，分别观测1、2 点的水平角、 垂直角、距离三类共12个观测值，根据余弦定理可以计算出C

13、值。 具体计算公式为： （2.2 ） 两式并整理得： （2.3 ） 式中， （2.4 ） 在实际计算基距误差中，根据图2.7 所示，在 A 、B两站分别观测 1、2 两点， 按式(2.3) 可以计算得出基距误差C。 图 2.7 基准距离校准方法 实际上，C 的值是基准距离的变化部分与反射器常数之和，所以对于不同类 型的反射器， C 的值也会发生变化，对于不同的反射器需要分别进行校准。 1.2.4 系统的应用 激光跟踪仪配备了高精度的水平和垂直角度编码器，实现精确的角度测量； 专利的徕卡激光干涉仪实现精确的相对距离测量；高精度的绝对测距仪则实现快 速检测。这些特点弥补了对大型构件的传统测量方法经

14、纬仪法的不足之处， 例如人工测量的效率相对较低、观测精度差等缺点。激光跟踪测量系统测量范围 大、携带方便、对环境要求不高、适合现场作业等优点，使它的应用领域逐渐扩 大。 在重型机械制造业中 ，大尺寸部件的检测和逆向工程常采用激光跟踪测量系 统。在零部件生产中，该系统可以快速精确地检验每个成品零部件的尺寸是否与 设计尺寸完全一致，同时迅速地数字化零部件的物理模型，得到的数字化文件可 以用各种方法处理从而得出测量结果。在机械领域中，逆向工程(Reverse Engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD 模型的情况 下，按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技

15、术及CAD 技术 重新构造原形 CAD 模型的过程。 CMM 是逆向工程中的接触式测量方法，由于激 光跟踪测量系统的原理也是基于三维坐标测量的方法，所以这套系统也在逆向工 程中应用。激光跟踪测量系统对工件模型进行扫描测量后建立数据模型，由数据 模型生成可以被加工中心识别的加工程序，从而加工出模具 9 。 三维管片和模具测量系统就是激光跟踪测量系统的一个工程实践应用（图 2.8 ），通过跟踪测量已经制成成品的管片各面上的空间点的坐标，经过坐标系 转换纠正，将各面上的数据点拟合成平面或曲面，检验管片的尺寸与设计尺寸的 偏差，以便判断成品的质量是否合格。比起传统的检测测量方法，此套系统测量 速度快，

16、能在短时间内采集大量空间数据点信息，同时可以直接处理数据，给出 成果报表，工作效率高，也大大节省了人力物力，一般只需要一个计算机操控人 员及一个手持反射器移动的作业人员。该套系统同样也适用于制造管片的模具的 测量检测。 图 2.8 三维管片和模具测量系统 在汽车工业领域中，激光跟踪测量系统常用来在线检测车身、测量汽车外 形、汽车工装检具的检测与调整。在文献10 中举出了汽车外形测量的实例，通 过激光跟踪仪采集汽车不同部位的点云数据，再进行拼接得到完整的汽车曲面点 云数据，利用三维造型软件得到汽车三维模型，在测量过程中，应调整好激光跟 踪仪与汽车的相对位置，尽量减小角向测量长度，提高汽车点云数据

17、精度。如果 激光跟踪仪能配合轻便型三坐标测量机等精密测量设备连接测量，则能对汽车轮 廓等大型零件表面不易测量的凹槽等部位进行测量，得到较高精度的汽车点云数 据，提高汽车车身曲面拟合的精度。 另外，汽车的生产线都需要以最高级别的自动化程度和准确性进行定期检 测，以进行重复性和适产性的测试。激光跟踪测量系统这种移动坐标测量设备， 适合工业现场使用，在检测工程中使汽车生产的停工期大幅缩短，在生产线上的 工装、夹具和检具也能进行精密的现场检测。Leica 的 LTD 800 激光跟踪测量系 统已经在莱比锡工厂的BMW 新车试生产阶段运用于生产线工具装备的检测中 （图 2.9） 55 。 图 2.9 L

18、TD 800在莱比锡工厂的BMW 新车试生产阶段的应用 在航天航空制造业领域，飞行器具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部 件之间相互位置关系要求严格等特点。飞行器的装配通常是在各部件分别安装后 再进行总体装配，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的检 测。在飞行器装配过程中的测量误差可能会导致很严重的后果，因此必须要确保 航天航空领域测量的精确性 。激光跟踪测量系统的现场性和实时性以及它的高精 度性都满足了飞机行架的定位安装，飞机外形尺寸的检测，零部件的检测，飞机 的维修等工程项目的需要。 测量一架大型飞机的内外形尺寸，首先要确定整架飞机的空间坐标，保证所 要测量到的外形尺寸空间

19、点都在一个坐标系中，要求布置足够的测站，这些测站 就保证了飞机上、下、左、右、前、后等整个外形都在激光跟踪仪测量范围内。 其次要保证飞机处于静止状态，测量过程中不能产生移动。激光跟踪仪在每一个 测站测量某一个区域的飞机外形坐标点，将各个测站的飞机外形坐标连接起来就 构成整架飞机的外形尺寸坐标，将这些点处理后就形成了飞机外形的数字模型。 激光跟踪测量系统扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，大大 提高了工作效率（图2.10 ）。 图 2.10 飞机外形尺寸的测绘 在造船工业领域中，激光跟踪测量系统常用于轮船外形尺寸的检测，重要部 件安装位置的检测，逆向工程等。激光跟踪测量系统的高精度

20、，激光束射程远， 在制造业、机械业、质量控制业领域对于大型部件、机械零件的测量检测能更有 效地实现。 图 2.11 轮船外形尺寸的检测图 2.12 轮船外形 在科研领域中，激光跟踪测量系统已在机器人的制造校准过程使用。机器人 在工厂机械安装、马达驱动安装、夹具重组等整个生产周期过程中如果能维持它 的精确度，那么它才是一个成功的工业机器人。机器人的设计尺寸与实际生产尺 寸的偏差往往在 8-15mm 之间，主要是由于机械公差和部件安装时所产生的误差 所引起的。在校准机器人的实际应用中，有两个相邻的工作测量组，一组负责装 配机器人，一组则负责检测校准安装部件，激光跟踪测量系统则安置在这两个测 量组之

21、间。操作人员通过计算机控制定位，激光跟踪测量系统可以检测两个工作 小组的测量工作。在一组操作人员利用激光跟踪仪检测机器人配件的同时，另一 组工作人员则负责装配已经经过检测的工件，装配完后再利用激光跟踪仪进行校 准。依此类推，大幅提高了机器人生产安装的工作效率，也节省人力物力（图 2.13 ） 美国 API 公司 激光跟踪仪作为一种高精度便携式的三坐标测量设备，在世界汽车制造业的用途不断扩增。 美国 API 公司作为激光跟踪仪发明人，上海通用选用该公司的TrackerII(Plus)激光跟踪仪用 于生产现场工装检测以及白车身和冲压件测量。以下的解决方案将有效改观传统的光线阻断 问题一个是晶鼢Z(

22、ADM ，Absolute Distance Measurement)技术，另一个是智能测头技 术(Intelliprobe) 。 传统的激光跟踪仪采用激光干涉的原理，来测量靶球到跟踪头的距离，要求激光头和靶球间 的光线始终不能被阻断，这在测量汽车工装夹具 时往往是很难保证。API 的绝对测距 (ADM) 技术基于红外光脉冲反射拍频计数原理，允许跟踪过程中断光，甚至可直接将靶球放至目标 位置，再令跟踪头指向靶球实施测量，其10m 内测量精度可达0.02mm 。 TrackerII (Plus) 所支持的智能测头技术 事实证明， ADM 技术有助于在线检测汽车夹具重复定位精度的提高，通常将光学靶

23、安装在 活动的夹头上， 待每次夹头到达工作位置后，软件驱动跟踪头便指向光学靶的理论位置，而 实际上每次夹头所处位置都将偏离理论值，跟踪头将在理论位置周围以螺旋线轨迹运动搜索 光学靶，锁定目标后再用ADM 技术测出光学靶到跟踪头的距离，从而计算出此时夹头所处 实际位置。 在软件的配合下，激光跟踪仪能在极短时间内(通常只需几秒锺)，测到多个夹头的重复定位 精度，精度远高出数码相机交汇照相测量技术水准。 API 的 TrackerII(Plus) 还支持智能测头技术，可以用测杆尖端测量激光照射不到的工件背面 以及较深的孔和槽。(API 美国自动精密工程供稿) 霍梅尔的光学非接触在线检测技术 霍梅尔的

24、轴类零件综合测量仪，是柔性检测能力强的光学扫描检测与电感测量的结合体。接 触式测量系统采用多点多测头结构，既有电感传感器，又有大量程数字式增量传感器，在凸 轮轴的每个轴颈和凸轮上各设置多个测量截面，同时测量凸轮轴的各轴颈的直径、圆度、 圆 柱度和跳动，以及凸轮的基圆半径、基圆跳动、凸轮顶点角度和凸轮升程曲线。 光学非接触测量系统运用光电扫描影像处理的测量原理，通过光电子线性电荷耦合传感器件 (CCD) 的射线对工件的轮廓进行自动扫描。为进行动态测量，在工件旋转时自动记录工件轮 廓影像的全部数据。 测量周期可由程序控制，将许多个单个测量项目，合并到一次最佳的自动综合测量程序中运 行，分辨率极高，

25、整个工件可被迅速且精确地测量出来。 霍梅尔凸轮轴在线检测机的测量节拍，高达每件20 秒 光学非接触测量系统的优势在于，可将接触式测量系统难以测量的项目，通过光学扫描 进行测量， 这包括凸轮轴的各个轴颈和凸轮的台阶端面的轴向位置、各个台阶圆角的圆弧轮 廓和半径、倒角的形状和角度宽度、沟槽宽度、相位角度、小锥度等。 配合集成的接触式电感测头，还可同时测量端面跳动。一次装夹就可以测量复杂工件的几何 形状，测量步骤全部自动控制，测量分辨率达0.1 微米。 凸轮轴在线检测机还革新性地、将光学表面探伤（缺陷检测）技术融合到测量系统中。通过 视觉图像识别系统(OPTI-SENS Technology)，全自动扫描凸轮轴的各个轴颈和各个凸轮的 表面缺陷。（德国霍梅尔公司供稿） 56 。