faro激光跟蹤儀工作原理

1、1激光跟蹤儀的優(yōu)點 傳統(tǒng)的飛機全機水平測量一般是采用常規(guī)的光學儀器, 即用水平儀和經(jīng)緯儀對飛機的安裝角和對稱性進行測量, 但這種測量方法有測量效率低、人為誤差比較大及測量精度比較差等缺點。隨著飛機性能不斷提高, 對飛機外形的要求也越來越高, 因此對全機調(diào)平誤差提出了更高的要求,有些飛機調(diào)平誤差為0.5 mm 以下, 常規(guī)光學儀器已不能滿足水平測量的要求。而全機水平測量是檢測最終產(chǎn)品安裝精度是否滿足技術要求的必須的檢測項目, 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, 部分重要機加件也全部采用數(shù)字化測量技術。激光跟蹤測量系統(tǒng)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

2、、光電探測、精密機械、計算機及控制、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進技術, 可對空間運動目標進行跟蹤并實時測量目標的空間三維坐標。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點, 適合大尺寸工件裝配測量, 因此適用于飛機類產(chǎn)品空間點位的測量。2激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的組成及原理v激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的組成及原理v 激光跟蹤儀實際上是一臺激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀, 跟蹤頭的激光束、旋轉鏡和旋轉軸構成了激光跟蹤儀的三個軸, 三軸相交的中心是測量坐標系的原點。激光跟蹤儀可以連續(xù)的瞄準、跟蹤并確定由移動或穩(wěn)定的反射目標返回激光束的位置。簡單的說, 激光跟蹤測量系統(tǒng)可靜態(tài)或動態(tài)地跟蹤一個

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

4、經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給應用處理機，儲存在數(shù)據(jù)庫中。3激光干涉儀 從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，再由電子計算機按計算式式中為 激光波長(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果 。456測量的難點及解決措施 v1.坐標系的建立坐標系的建立v 飛機具有外形尺寸及重量大、外部結構特殊、部件

5、之間相互位置關系要求嚴格等特點。而激光跟蹤儀則要求一個站位內(nèi)測量點光線直線可達, 不可斷光再續(xù), 且中間不能有障礙物, 但在飛機上的水平測量點大部份是對稱分布, 比如機翼、平尾的安裝角就需要測量機身左右的坐標點, 由于中間被機身、起落架或其他掛載擋住, 因此在一個站位下就不可能測量出所有的坐標點, 而需多個站位、多個坐標系, 所以單臺激光跟蹤儀必須通過轉站的方法擴大測量范圍, 避開障礙物, 以使單站位下光線直線可達。v實現(xiàn)測量。轉站指的是在相鄰的站位之間靠至少幾 個共同基點聯(lián)系起來, 前一個站位測量幾個共同基點,下一個站位再次測量這幾個共同基點, 然后由計算機測量軟件通過擬合計算, 把不同站位

6、信息相互聯(lián)系, 形成一個統(tǒng)一的坐標系。7v2.坐標點的測量坐標點的測量v 通過站位轉換, 能測量到全機所有的坐標點。一般測量方法有:v1)直接測量法, 直接將靶標放置到待測點位置, 通過多次采樣, 由測量系統(tǒng)通過計算得出結果的均值, 實現(xiàn)被測標點的測量, 比如對于機身側面的標點就可以采用這種方式;v2)間接測量法, 通過測量球面或圓形, 采用球心或圓心擬合方式間接測出球心或圓心的點的坐標, 比如對于機翼、平尾下部的標點, 由于坐標點在下部, 有時受激光頭高度的限制, 不便直接測量, 可以采取間接測量方式v 3.批次測量批次測量v由于站位轉換要花費大量的時間, 為了保證在所有的站位都可以測到轉站

7、基點, 有時對基點位置需要進行多次調(diào)整, 而對于批產(chǎn)飛機, 由于產(chǎn)量大,水平測量工作量比較大, 若每次測量都要重新設置基點, 顯然不利于提高測量效率, 因此需要通過設置水平測量位置來解決該問題。即設置一個區(qū)域為全機水平測量專用位置, 并在該位置預埋轉站基點, 將飛機的位置、激光跟蹤儀大致位置做好標識, 在下次測量時則無須再次設置基點, 而利用原基點即可實現(xiàn)多架次、多批次測量, 提高了測量效率。8全機水平測量數(shù)據(jù)處理及結果驗證 在全機水平測量前, 首先要查出全機水平測量點理論坐標值, 一般以飛機水平基準線、對稱軸線為基準, 以機頭位置或對稱軸線上其他位置為起始原點, 建立水平測量點相對于水平基準

8、線和對稱軸線下的理論空間坐標系, 然后把實際測得標點坐標通過系統(tǒng)計算, 得出實際測量值與理論值之間的差異,從而得到標點的偏離情況, 同時, 計算出全機大部件的安裝角、傾斜角等。 9影響因素v激光跟蹤儀通過優(yōu)化測量方式可以完全實現(xiàn)全機的水平測量工作, 提高了測量效率、精度及可靠性, 具有操作簡單、人為干擾因素少、多次測量差異性小等特點，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(設備誤差)主要有兩方面：激光干涉儀測量誤差；角編碼器測量誤差。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。但隨著測量距離增大，系統(tǒng)誤差也將增大；第二方面 靶標及附件的制造誤差，靶標及附件的制造誤差也是影響系統(tǒng)誤差的一個原因。提高附件制造精度，定期檢修靶標及附件是控制上述測量誤差的有效措施。10v2環(huán)境因素環(huán)境因素 溫度、氣壓、氣流的波動、空氣污染將影響光線的傳播，導致測量誤差的增大；地板的穩(wěn)固程度、振動、設備用電電流的穩(wěn)定性不但會造成測量誤差的增大，甚至會造成儀器的損壞。針對以上因素，測量時應控制室內(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 操作人員手持靶標測量時

10、，靶標的運行速度和加速度對測量精度將產(chǎn)生影響，速度過快會使光束折斷。搞好培訓，提高和增強操作人員的素質(zhì)和責任心是減小由操作人員產(chǎn)生測量誤差的有效措施。11 激光跟蹤儀安裝型架的優(yōu)點及建議v激光跟蹤儀應用于飛機工裝的安裝或測量主要有如下優(yōu)點： （1） 采用數(shù)字量傳遞節(jié)省很多標工(樣板、樣件等)。 （2）測量設備輕巧，移動方便，能進行大尺寸，復雜結構型架的安裝測量。 （3）測量精度高，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精度高，檢修方便。 （4）在調(diào)試安裝的過程中，零件上的點的坐標值的差值( 實測值與理論值的差值) 實時顯示，操作者能直觀、方便的進行調(diào)裝且速度快，大幅度縮

11、短工裝的試制周期。12激光跟蹤儀在飛機型面測量中的應用 飛機在部裝和總裝過程中需要檢測的幾何參數(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)的計算是通過對一些幾何元素(如點、線、型面等)的測量得到的。這些幾何元素的測量可直接由激光跟蹤儀完成，通過把CAD模型或理論數(shù)值和實際測量值作對比來實現(xiàn)。激光跟蹤儀測量系統(tǒng)測量型面操作步驟分為三部分。第一步是測前準備工作，第二部分是建立工裝坐標系，第三步是在工裝坐標系下測量型面隔。這三部分內(nèi)容既有聯(lián)系又各自獨立，三部分工作可以連續(xù)進行，也可以分段進行。下面對每個操作步驟及操作中要注意的事項作詳細的介紹。131

12、測前準備工作(1)考察測量現(xiàn)場；(2)跟蹤儀設置；(3)作出測量汁劃142 建立工裝坐標系 確定測量坐標系可采用兩種方式。一種方式采用迭代法建立坐標系，可在被測表面拾取多個基準點，然后計算生成坐標系坐標原點。所選6個基準點建立了該表面的測量坐標系 6個基準點分布另一種方式是采用外加基準板或采用飛機制造基準面方式確定測量坐標系，在基準板或飛機制造基準面上選取三個以上基準點進行測量坐標系建立。如果是對整個機身測繪，要進行內(nèi)外表面全部的多角度多方位測量，則采用第一種坐標系建立方式；若要測量的型面僅是飛機的部件，則采用第二種坐標系建立方式153 測量型面1 導入CAD模型數(shù)據(jù) 把CAD模型數(shù)據(jù)導入到測

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 測量過程 (1)簡單、規(guī)則曲面的測量 空間曲面是通過空間連續(xù)的點反映的，簡單、規(guī)則曲面的測量可以使用反射球在被測量物體表面接觸均勻劃過，通過它的空間運動軌跡來反映空間曲面。如果測量點越密說明曲面的形位越接近實際曲面，而測量點的疏密是可以通過測量軟件來設定的，例如，設定的參數(shù)是2mm，則在與前個點的空間距離為2mm處采集第二個點，通過這樣的方法就得到了空間曲面的坐標。根據(jù)現(xiàn)場測量經(jīng)驗，在對曲率變化較大的面進行測量時，應使跟蹤頭水平、垂直角度變化范圍最小。這是因為根據(jù)儀器自身特點，影響測餐準確度最大的因素就在于它的測角，其測量誤差要大于測距誤

14、差，這是在測量曲率變化較大的面時應把握的個原則。16(2) 復雜曲面的測量 若要測量的曲面部分激光無法照射過來，或者被測量的部分深深的隱藏或凹陷在鈑金件的下面，反射球無法完成檢測時，可選用7Imobe解決這些問題，T_-Pmbe測量隱藏的洞或腔可獲得極高的精度。若要檢測的型面比較復雜，不便于接觸測量，或者需要掃描部件各個部位用來逆向制造，可選用T_Sc蛐，它可以快速掃描各種材質(zhì)或者復雜的表面。操作人員手持靶標測量時，靶標的移動速度和加速度對測量精度將產(chǎn)生影響，速度過快會使光束折斷，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的。同時應盡量避免測量點的振動以及氣流的擾動。17結果處理v實際測量值形成點云，擬合成曲面，把實現(xiàn)測量結果與CAD理論數(shù)據(jù)比較，按照偏差數(shù)據(jù)生成色彩表示測量結果。計算測得的幾何元素間的相對位置關系(距離、角度等)，查看關鍵部位的特征符合情況(尺寸公差和幾何公差等)。184 數(shù)字化檢測驗收 利用激光跟蹤儀對工裝連續(xù)重復測量3次，對其工裝基準進行測量，可驗證工裝的穩(wěn)定性、儀器的測量精度等，保證其測量數(shù)據(jù)精度。同時，使用數(shù)字技術驗證關鍵定位器，利用量規(guī)對工裝進行實際檢查等。最后選擇適合自己的報告格式，打印測