faro激光跟蹤儀工作原理

1、1激光跟蹤儀的優(yōu)點(diǎn) 傳統(tǒng)的飛機(jī)全機(jī)水平測(cè)量一般是采用常規(guī)的光學(xué)儀器, 即用水平儀和經(jīng)緯儀對(duì)飛機(jī)的安裝角和對(duì)稱性進(jìn)行測(cè)量, 但這種測(cè)量方法有測(cè)量效率低、人為誤差比較大及測(cè)量精度比較差等缺點(diǎn)。隨著飛機(jī)性能不斷提高, 對(duì)飛機(jī)外形的要求也越來(lái)越高, 因此對(duì)全機(jī)調(diào)平誤差提出了更高的要求,有些飛機(jī)調(diào)平誤差為0.5 mm 以下, 常規(guī)光學(xué)儀器已不能滿足水平測(cè)量的要求。而全機(jī)水平測(cè)量是檢測(cè)最終產(chǎn)品安裝精度是否滿足技術(shù)要求的必須的檢測(cè)項(xiàng)目, 目前工廠的型架安裝已經(jīng)完全采用激光跟蹤儀定位安裝, 部分重要機(jī)加件也全部采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。它集合了激光干涉測(cè)距

2、、光電探測(cè)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)及控制、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù), 可對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn), 適合大尺寸工件裝配測(cè)量, 因此適用于飛機(jī)類產(chǎn)品空間點(diǎn)位的測(cè)量。2激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的組成及原理v激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的組成及原理v 激光跟蹤儀實(shí)際上是一臺(tái)激光干涉測(cè)距和自動(dòng)跟蹤測(cè)角測(cè)距的全站儀, 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(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)。激光跟蹤儀可以連續(xù)的瞄準(zhǔn)、跟蹤并確定由移動(dòng)或穩(wěn)定的反射目標(biāo)返回激光束的位置。簡(jiǎn)單的說(shuō), 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)可靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地跟蹤一個(gè)

3、在空中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn), 由此形成球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng), 并測(cè)得三個(gè)位置參量、即可確定目標(biāo)直角坐標(biāo)系的位置矢量P = (x， y， z)。vx =OP sincosvy = OP sinsinvz = OP cosv其中，是有兩個(gè)角度編碼器來(lái)讀出的，OP是有經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算公式，可計(jì)算位移量OPv 兩個(gè)角編碼器自動(dòng)測(cè)量靶標(biāo)相對(duì)于跟蹤儀的水平方位角和垂直方位角；靶標(biāo)與激光跟蹤儀之間的距離由激光干涉儀測(cè)量。這些信息經(jīng)傳感器電纜傳給激光跟蹤儀控制機(jī)，跟蹤儀控制機(jī)整理計(jì)算后，一部分信息經(jīng)馬達(dá)電纜反饋回激光跟蹤儀，控制伺服馬達(dá)，使激光束始終鎖定移動(dòng)中的靶標(biāo)；另一部分信息

4、經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給應(yīng)用處理機(jī)，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。3激光干涉儀 從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式式中為 激光波長(zhǎng)(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果 。456測(cè)量的難點(diǎn)及解決措施 v1.坐標(biāo)系的建立坐標(biāo)系的建立v 飛機(jī)具有外形尺寸及重量大、外部結(jié)構(gòu)特殊、部件

5、之間相互位置關(guān)系要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。而激光跟蹤儀則要求一個(gè)站位內(nèi)測(cè)量點(diǎn)光線直線可達(dá), 不可斷光再續(xù), 且中間不能有障礙物, 但在飛機(jī)上的水平測(cè)量點(diǎn)大部份是對(duì)稱分布, 比如機(jī)翼、平尾的安裝角就需要測(cè)量機(jī)身左右的坐標(biāo)點(diǎn), 由于中間被機(jī)身、起落架或其他掛載擋住, 因此在一個(gè)站位下就不可能測(cè)量出所有的坐標(biāo)點(diǎn), 而需多個(gè)站位、多個(gè)坐標(biāo)系, 所以單臺(tái)激光跟蹤儀必須通過轉(zhuǎn)站的方法擴(kuò)大測(cè)量范圍, 避開障礙物, 以使單站位下光線直線可達(dá)。v實(shí)現(xiàn)測(cè)量。轉(zhuǎn)站指的是在相鄰的站位之間靠至少幾 個(gè)共同基點(diǎn)聯(lián)系起來(lái), 前一個(gè)站位測(cè)量幾個(gè)共同基點(diǎn),下一個(gè)站位再次測(cè)量這幾個(gè)共同基點(diǎn), 然后由計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件通過擬合計(jì)算, 把不同站位

6、信息相互聯(lián)系, 形成一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系。7v2.坐標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量v 通過站位轉(zhuǎn)換, 能測(cè)量到全機(jī)所有的坐標(biāo)點(diǎn)。一般測(cè)量方法有:v1)直接測(cè)量法, 直接將靶標(biāo)放置到待測(cè)點(diǎn)位置, 通過多次采樣, 由測(cè)量系統(tǒng)通過計(jì)算得出結(jié)果的均值, 實(shí)現(xiàn)被測(cè)標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量, 比如對(duì)于機(jī)身側(cè)面的標(biāo)點(diǎn)就可以采用這種方式;v2)間接測(cè)量法, 通過測(cè)量球面或圓形, 采用球心或圓心擬合方式間接測(cè)出球心或圓心的點(diǎn)的坐標(biāo), 比如對(duì)于機(jī)翼、平尾下部的標(biāo)點(diǎn), 由于坐標(biāo)點(diǎn)在下部, 有時(shí)受激光頭高度的限制, 不便直接測(cè)量, 可以采取間接測(cè)量方式v 3.批次測(cè)量批次測(cè)量v由于站位轉(zhuǎn)換要花費(fèi)大量的時(shí)間, 為了保證在所有的站位都可以測(cè)到轉(zhuǎn)站

7、基點(diǎn), 有時(shí)對(duì)基點(diǎn)位置需要進(jìn)行多次調(diào)整, 而對(duì)于批產(chǎn)飛機(jī), 由于產(chǎn)量大,水平測(cè)量工作量比較大, 若每次測(cè)量都要重新設(shè)置基點(diǎn), 顯然不利于提高測(cè)量效率, 因此需要通過設(shè)置水平測(cè)量位置來(lái)解決該問題。即設(shè)置一個(gè)區(qū)域?yàn)槿珯C(jī)水平測(cè)量專用位置, 并在該位置預(yù)埋轉(zhuǎn)站基點(diǎn), 將飛機(jī)的位置、激光跟蹤儀大致位置做好標(biāo)識(shí), 在下次測(cè)量時(shí)則無(wú)須再次設(shè)置基點(diǎn), 而利用原基點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)多架次、多批次測(cè)量, 提高了測(cè)量效率。8全機(jī)水平測(cè)量數(shù)據(jù)處理及結(jié)果驗(yàn)證 在全機(jī)水平測(cè)量前, 首先要查出全機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)理論坐標(biāo)值, 一般以飛機(jī)水平基準(zhǔn)線、對(duì)稱軸線為基準(zhǔn), 以機(jī)頭位置或?qū)ΨQ軸線上其他位置為起始原點(diǎn), 建立水平測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于水平基準(zhǔn)

8、線和對(duì)稱軸線下的理論空間坐標(biāo)系, 然后把實(shí)際測(cè)得標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)通過系統(tǒng)計(jì)算, 得出實(shí)際測(cè)量值與理論值之間的差異,從而得到標(biāo)點(diǎn)的偏離情況, 同時(shí), 計(jì)算出全機(jī)大部件的安裝角、傾斜角等。 9影響因素v激光跟蹤儀通過優(yōu)化測(cè)量方式可以完全實(shí)現(xiàn)全機(jī)的水平測(cè)量工作, 提高了測(cè)量效率、精度及可靠性, 具有操作簡(jiǎn)單、人為干擾因素少、多次測(cè)量差異性小等特點(diǎn)，但也有一些影響誤差的因素。如：v1 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差v激光跟蹤儀系統(tǒng)誤差(設(shè)備誤差)主要有兩方面：激光干涉儀測(cè)量誤差；角編碼器測(cè)量誤差。激光干涉儀分辨率為0001 26 mm，角編碼器分辨率為014”。理論上，在不超過10 m測(cè)量范圍內(nèi)，激光跟蹤儀系統(tǒng)誤差不超過0

9、01 mm。但隨著測(cè)量距離增大，系統(tǒng)誤差也將增大；第二方面 靶標(biāo)及附件的制造誤差，靶標(biāo)及附件的制造誤差也是影響系統(tǒng)誤差的一個(gè)原因。提高附件制造精度，定期檢修靶標(biāo)及附件是控制上述測(cè)量誤差的有效措施。10v2環(huán)境因素環(huán)境因素 溫度、氣壓、氣流的波動(dòng)、空氣污染將影響光線的傳播，導(dǎo)致測(cè)量誤差的增大；地板的穩(wěn)固程度、振動(dòng)、設(shè)備用電電流的穩(wěn)定性不但會(huì)造成測(cè)量誤差的增大，甚至?xí)斐蓛x器的損壞。針對(duì)以上因素，測(cè)量時(shí)應(yīng)控制室內(nèi)溫度恒定，不要把儀器擺在廠房門口、空調(diào)旁邊。保持空氣清潔，不要把儀器擺放在地板接縫處或地基不牢處，避免測(cè)量區(qū)域附近有振源，配置穩(wěn)壓器。v3 操作人員因素操作人員因素 操作人員手持靶標(biāo)測(cè)量時(shí)

10、，靶標(biāo)的運(yùn)行速度和加速度對(duì)測(cè)量精度將產(chǎn)生影響，速度過快會(huì)使光束折斷。搞好培訓(xùn)，提高和增強(qiáng)操作人員的素質(zhì)和責(zé)任心是減小由操作人員產(chǎn)生測(cè)量誤差的有效措施。11 激光跟蹤儀安裝型架的優(yōu)點(diǎn)及建議v激光跟蹤儀應(yīng)用于飛機(jī)工裝的安裝或測(cè)量主要有如下優(yōu)點(diǎn)： （1） 采用數(shù)字量傳遞節(jié)省很多標(biāo)工(樣板、樣件等)。 （2）測(cè)量設(shè)備輕巧，移動(dòng)方便，能進(jìn)行大尺寸，復(fù)雜結(jié)構(gòu)型架的安裝測(cè)量。 （3）測(cè)量精度高，省去了許多中間環(huán)節(jié)，減少了累積誤差，提高了型架的安裝精度且重復(fù)精度高，檢修方便。 （4）在調(diào)試安裝的過程中，零件上的點(diǎn)的坐標(biāo)值的差值( 實(shí)測(cè)值與理論值的差值) 實(shí)時(shí)顯示，操作者能直觀、方便的進(jìn)行調(diào)裝且速度快，大幅度縮

11、短工裝的試制周期。12激光跟蹤儀在飛機(jī)型面測(cè)量中的應(yīng)用 飛機(jī)在部裝和總裝過程中需要檢測(cè)的幾何參數(shù)主要包括軸線偏斜度、定位裝置的角度偏差、距離、平行度、垂直度以及部件外形孥日。這些幾何參數(shù)的計(jì)算是通過對(duì)一些幾何元素(如點(diǎn)、線、型面等)的測(cè)量得到的。這些幾何元素的測(cè)量可直接由激光跟蹤儀完成，通過把CAD模型或理論數(shù)值和實(shí)際測(cè)量值作對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量型面操作步驟分為三部分。第一步是測(cè)前準(zhǔn)備工作，第二部分是建立工裝坐標(biāo)系，第三步是在工裝坐標(biāo)系下測(cè)量型面隔。這三部分內(nèi)容既有聯(lián)系又各自獨(dú)立，三部分工作可以連續(xù)進(jìn)行，也可以分段進(jìn)行。下面對(duì)每個(gè)操作步驟及操作中要注意的事項(xiàng)作詳細(xì)的介紹。131

12、測(cè)前準(zhǔn)備工作(1)考察測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)；(2)跟蹤儀設(shè)置；(3)作出測(cè)量汁劃142 建立工裝坐標(biāo)系 確定測(cè)量坐標(biāo)系可采用兩種方式。一種方式采用迭代法建立坐標(biāo)系，可在被測(cè)表面拾取多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后計(jì)算生成坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)。所選6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)建立了該表面的測(cè)量坐標(biāo)系 6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分布另一種方式是采用外加基準(zhǔn)板或采用飛機(jī)制造基準(zhǔn)面方式確定測(cè)量坐標(biāo)系，在基準(zhǔn)板或飛機(jī)制造基準(zhǔn)面上選取三個(gè)以上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量坐標(biāo)系建立。如果是對(duì)整個(gè)機(jī)身測(cè)繪，要進(jìn)行內(nèi)外表面全部的多角度多方位測(cè)量，則采用第一種坐標(biāo)系建立方式；若要測(cè)量的型面僅是飛機(jī)的部件，則采用第二種坐標(biāo)系建立方式153 測(cè)量型面1 導(dǎo)入CAD模型數(shù)據(jù) 把CAD模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到測(cè)

13、量軟件圖形顯示界面，定義各部位的幾何公差和尺寸公差。2 測(cè)量過程 (1)簡(jiǎn)單、規(guī)則曲面的測(cè)量 空間曲面是通過空間連續(xù)的點(diǎn)反映的，簡(jiǎn)單、規(guī)則曲面的測(cè)量可以使用反射球在被測(cè)量物體表面接觸均勻劃過，通過它的空間運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)反映空間曲面。如果測(cè)量點(diǎn)越密說(shuō)明曲面的形位越接近實(shí)際曲面，而測(cè)量點(diǎn)的疏密是可以通過測(cè)量軟件來(lái)設(shè)定的，例如，設(shè)定的參數(shù)是2mm，則在與前個(gè)點(diǎn)的空間距離為2mm處采集第二個(gè)點(diǎn)，通過這樣的方法就得到了空間曲面的坐標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)曲率變化較大的面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)使跟蹤頭水平、垂直角度變化范圍最小。這是因?yàn)楦鶕?jù)儀器自身特點(diǎn)，影響測(cè)餐準(zhǔn)確度最大的因素就在于它的測(cè)角，其測(cè)量誤差要大于測(cè)距誤

14、差，這是在測(cè)量曲率變化較大的面時(shí)應(yīng)把握的個(gè)原則。16(2) 復(fù)雜曲面的測(cè)量 若要測(cè)量的曲面部分激光無(wú)法照射過來(lái)，或者被測(cè)量的部分深深的隱藏或凹陷在鈑金件的下面，反射球無(wú)法完成檢測(cè)時(shí)，可選用7Imobe解決這些問題，T_-Pmbe測(cè)量隱藏的洞或腔可獲得極高的精度。若要檢測(cè)的型面比較復(fù)雜，不便于接觸測(cè)量，或者需要掃描部件各個(gè)部位用來(lái)逆向制造，可選用T_Sc蛐，它可以快速掃描各種材質(zhì)或者復(fù)雜的表面。操作人員手持靶標(biāo)測(cè)量時(shí)，靶標(biāo)的移動(dòng)速度和加速度對(duì)測(cè)量精度將產(chǎn)生影響，速度過快會(huì)使光束折斷，雖然跟蹤儀有斷光續(xù)接功能，但是它是以犧牲一定的精度為代價(jià)的。同時(shí)應(yīng)盡量避免測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)以及氣流的擾動(dòng)。17結(jié)果處理v實(shí)際測(cè)量值形成點(diǎn)云，擬合成曲面，把實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與CAD理論數(shù)據(jù)比較，按照偏差數(shù)據(jù)生成色彩表示測(cè)量結(jié)果。計(jì)算測(cè)得的幾何元素間的相對(duì)位置關(guān)系(距離、角度等)，查看關(guān)鍵部位的特征符合情況(尺寸公差和幾何公差等)。184 數(shù)字化檢測(cè)驗(yàn)收 利用激光跟蹤儀對(duì)工裝連續(xù)重復(fù)測(cè)量3次，對(duì)其工裝基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，可驗(yàn)證工裝的穩(wěn)定性、儀器的測(cè)量精度等，保證其測(cè)量數(shù)據(jù)精度。同時(shí)，使用數(shù)字技術(shù)驗(yàn)證關(guān)鍵定位器，利用量規(guī)對(duì)工裝進(jìn)行實(shí)際檢查等。最后選擇適合自己的報(bào)告格式，打印測(cè)