激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在飛機(jī)裝配工裝制造和工裝檢測方面的應(yīng)用已趨于成熟，但在產(chǎn)品外形測量中應(yīng)用不是十分廣泛。通過對Leica AT901-MR激光跟蹤儀測量系統(tǒng)功用及原理分析，重點(diǎn)對T-Probe的使用進(jìn)行研究，摸索和總結(jié)了一套適用于型胎、大型裝配件等的測量方法，具有推 廣價值，同時為進(jìn)一步研究飛機(jī)數(shù)字化裝配檢測技術(shù)打下良好基礎(chǔ)。

　　當(dāng)前存在的數(shù)字化測量系統(tǒng)種類很多，在飛機(jī)數(shù)字化裝配中應(yīng)用較為廣泛的主要有三維激光掃描測量系統(tǒng)、數(shù)字照相測量系統(tǒng)、iGPS系統(tǒng)、三坐標(biāo)測量機(jī)和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)。這5種系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，三維激光掃描技術(shù)主要用于檢測飛機(jī)蒙皮接縫寬度、階差等問題；數(shù)字照相測量系統(tǒng)適合于檢測細(xì)節(jié)尺寸及通過快速圖像識別技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)蒙皮鉚接鉚釘數(shù)目檢測等；iGPS系統(tǒng)能建立一個大尺寸的空間坐標(biāo)系，所有測量任務(wù)都可在此坐標(biāo)系下完成且無需轉(zhuǎn)站，但缺點(diǎn)是測量精度不高；三坐標(biāo)測量機(jī)對型胎外形測量已得到廣泛應(yīng)用，但對測量件的尺寸和是否可移動有嚴(yán)格限制；激光跟蹤儀測量系統(tǒng)是當(dāng)前飛機(jī)制造中應(yīng)用最廣泛的一種方法，在裝配工裝制造和工裝檢測方面應(yīng)用已趨于成熟，但在產(chǎn)品外形測量中應(yīng)用不是十分廣泛。

　　本文基于Leica AT901-MR系列激光跟蹤儀進(jìn)行分析，尤其對T-Probe的6D測量進(jìn)行深入研究，旨在總結(jié)出一套適用于型胎、大型裝配件等測量方法。

　　1、測量儀器及系統(tǒng)組成

　　本研究采用的儀器是瑞典Leica公司生產(chǎn)的AT901-MR系列激光跟蹤儀，分為硬件和軟件兩個系統(tǒng)。

　　硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)、控制器、用戶PC、靶球、溫度傳感器和六坐標(biāo)便攜式測量系統(tǒng)（T-Probe）等，如圖1所示；軟件系統(tǒng)包括EmScon系統(tǒng)軟件和Metrolog XG測量軟件，可在9m半徑范圍內(nèi)，360°旋轉(zhuǎn)角、±45°俯仰角對產(chǎn)品進(jìn)行測量。該測量系統(tǒng)的靜態(tài)空間長度測量不確定度優(yōu)于±0.060mm，空間點(diǎn)位置測量重復(fù)性小于0.020mm。

　　

　　主機(jī)：是整個測量系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)含激光干涉儀和絕對測距儀，通過它發(fā)出和接收反射回的激光束；

　　控制器：控制跟蹤儀發(fā)出指令、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、傳遞數(shù)據(jù)、為跟蹤儀主機(jī)供電等；

　　T-Scan：是一種非接觸式高速激光掃描儀；

　　T-Probe：是一種手持式可移動無線通訊接觸式傳感器；

　　電機(jī)電纜：主機(jī)和控制器間的供電線路；

　　傳感器電纜：主機(jī)和控制器間的信號傳遞線路；

　　靶球：是被激光跟蹤儀跟蹤的光學(xué)目標(biāo)，能使入射的激光束平行原路返回跟蹤儀，有不同的規(guī)格，如6.35mm和19.05mm等；

　　系統(tǒng)軟件EmScon：分為客戶端和服務(wù)器端，在使用PC上安裝的是客戶端，其功能是設(shè)置修改、現(xiàn)場檢查、補(bǔ)償和跟蹤儀服務(wù)改動，服務(wù)器端位于控制器內(nèi)部；

　　測量軟件Metrolog XG： Metrolog XG的操作界面如圖2所示。

　　

　　2、測量原理

　　主機(jī)測量出靶球相對于激光跟蹤儀的水平方位角、垂直方位角和相對距離，這些信息經(jīng)傳感器電纜傳遞給控制器，經(jīng)控制器整理計(jì)算后，部分信息回傳給主機(jī)，使激光束始終鎖定移動中的靶球；另一部分信息傳輸給PC，儲存在數(shù)據(jù)庫中。
激光跟蹤儀得到的測量數(shù)據(jù)定義了一個完整的球體坐標(biāo)系。原點(diǎn)是主機(jī)反射鏡中心，根據(jù)三角函數(shù)公式可將球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，坐標(biāo)系原點(diǎn)仍在反射鏡中心，稱作base或本機(jī)坐標(biāo)系，被固化在硬盤中，不能被執(zhí)行刪除、更名等操作。base坐標(biāo)系也是開始一個新工作的起始坐標(biāo)系，如圖3所示。

　　

　　3、型胎測量應(yīng)用

　　3.1 常用坐標(biāo)系建立方法

　　3.1.1 一面兩點(diǎn)法

　　一面兩點(diǎn)法即用一個平面和兩個點(diǎn)創(chuàng)建一個坐標(biāo)系。實(shí)際點(diǎn)和理論點(diǎn)可以是：點(diǎn)、圓、球、方、圓環(huán)或橢圓元素。為計(jì)算坐標(biāo)系，第一個點(diǎn)和第二個點(diǎn)不能是一個點(diǎn)，也不能在垂直于平面的一條直線上。如圖4所示，面1為理論平面，點(diǎn)2和點(diǎn)3為理論點(diǎn)，面4為實(shí)際平面，點(diǎn)5和點(diǎn)6為實(shí)際點(diǎn)。其原理是調(diào)節(jié)每一個元素的理論值達(dá)到測量值，面將固定2個旋轉(zhuǎn)自由度和一個平移自由度，第一個點(diǎn)固定2個平移自由度，第二個點(diǎn)固定一個旋轉(zhuǎn)自由度。

　　例：通過一面兩點(diǎn)創(chuàng)建坐標(biāo)系。

　　參考系→一面兩點(diǎn)→在每一個區(qū)域選擇要構(gòu)建坐標(biāo)系的元素。在Plane區(qū)域軟件自動顯示在測量的最后平面上，在Position #1和Position #2區(qū)域軟件自動顯示最后的測量元素。點(diǎn)擊“Create”創(chuàng)建，坐標(biāo)系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫中。

　　

　　3.1.2 六點(diǎn)法

　　用六點(diǎn)法建立參考系必須在3D視圖上有CAD模型。通過連接CAD模型上的定義點(diǎn)和零件上相似位置的測量點(diǎn)找正零件。

　　6個點(diǎn)的選擇原則是：點(diǎn)1~3選擇在1個平面上，限制2個轉(zhuǎn)動自由度和1個平移自由度，點(diǎn)4、5選擇另一方向來限制1個轉(zhuǎn)動自由度和1個平移自由度，點(diǎn)6選擇第三方向來限制最后1個平移自由度，這3個方向盡量選擇在垂直的平面上。

　　例：通過六點(diǎn)法創(chuàng)建坐標(biāo)系。

　　參考系→一面兩點(diǎn)→定義6個點(diǎn)→測量6個點(diǎn)。點(diǎn)擊“Create”創(chuàng)建，軟件提示對齊，點(diǎn)擊“Accept”接受對齊，坐標(biāo)系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫中。

　　3.1.3 最佳擬合法

　　最佳擬合法通過對已存在理論值的點(diǎn)進(jìn)行測量，將測量值和理論值比較，通過平移、縮放和旋轉(zhuǎn)來找正零件，需要幾個必要條件：元素必須是幾何點(diǎn)測量的元素；所有點(diǎn)都被認(rèn)作激光準(zhǔn)確性；使用無運(yùn)動應(yīng)力。如果有一個條件達(dá)不到，最佳擬合法就無法運(yùn)算。

　　例：通過最佳擬合法建立坐標(biāo)系。（1）取消溫度補(bǔ)償功能。CMM→工件溫度補(bǔ)償→取消“Activate compensation”前面的勾選→點(diǎn)擊“Accept”。后續(xù)可通過測量窗口計(jì)數(shù)器的顏色來判斷溫度補(bǔ)償功能是否被激活，當(dāng)顏色為藍(lán)色表示當(dāng)前無補(bǔ)償，當(dāng)顏色為紅色表示當(dāng)前有溫度補(bǔ)償。（2）導(dǎo)入并測量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。文件→輸入→選擇.txt格式文件→勾選“Geometrical Points”→點(diǎn)擊“import”。要注意的是.txt文件對數(shù)據(jù)格式有嚴(yán)格要求，用逗號隔開，IJK向量可不寫。在特性數(shù)據(jù)庫窗口選擇剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)→從實(shí)際值定義→刪除實(shí)際值→測量。（3）建立坐標(biāo)系。參考系→最佳擬合→點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)選取”進(jìn)入特性數(shù)據(jù)庫→選擇（2）中測量完成的點(diǎn)后點(diǎn)擊“selec Feat”→在Modify窗口中將“Direction”選項(xiàng)選擇XYZ之后關(guān)閉→點(diǎn)擊計(jì)算圖標(biāo)→勾選“Scale”中兩處選項(xiàng)加入溫度補(bǔ)償→重新點(diǎn)擊計(jì)算圖標(biāo)。點(diǎn)擊“Accept”創(chuàng)建，軟件提示對齊，點(diǎn)擊“Accept”接受對齊，坐標(biāo)系PSC1會出現(xiàn)在工具欄和特性數(shù)據(jù)庫中。
3.2 外形檢測

　　外形檢測原理是將CAD模型和實(shí)際測量值作對比，使用T-Probe在6D狀態(tài)下測量，較靶球檢測的優(yōu)點(diǎn)是：第一，可進(jìn)行復(fù)雜曲面測量，當(dāng)被測量的曲面部分激光無法照射過來，或者被測量部分被隱藏或凹陷在其他件下方，靶球不能接收激光束無法完成檢測，而T-Probe對測量隱藏的孔或腔同樣可獲得極高的精度；第二，T-Probe具備自動探頭補(bǔ)償；靶球接收激光束后，返回的位置信息是球的球心，在最終判定結(jié)論時，需要去掉靶球半徑的值，不直觀，而T-Probe具備探頭補(bǔ)償功能，返回的位置信息即探頭和型胎的接觸點(diǎn)位置，不需要對測量結(jié)果進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換。例：測量某零件型胎外形。

　?。?）建立型胎坐標(biāo)系。詳見3.1節(jié)常用坐標(biāo)系建立方法。

　　（2）輸入CAD模型。CAD→打開CAD文件→選擇.su3格式文件打開→點(diǎn)擊“Ouvrir”。此時，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)CAD模型信息。（3）測量型面。將T-Probe開關(guān)打開，保證LED燈是亮著的，將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)。點(diǎn)擊功能欄至測量模式，選擇測量曲面點(diǎn)，曲面點(diǎn)類型選擇Surface（曲面點(diǎn)投影到曲面上），搜索距離為5mm。點(diǎn)擊T-Probe上的測量按鈕，結(jié)果會自動顯示在結(jié)果窗口。特別提示：使用T-Probe時，探頭要和測量曲面垂直。

　　3.3 胎線（零件邊緣線）的檢測

　　胎線測量原理同型胎外形測量,通常選取針尖探頭。例：測量某零件胎線。（1）建立型胎坐標(biāo)系。詳見3.1節(jié)常用坐標(biāo)系建立方法。（2）輸入CAD模型。CAD→打開CAD文件→選擇.su3格式文件打開→點(diǎn)擊“Ouvrir”。此時，3D視圖出現(xiàn)CAD模型，特性數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)CAD模型信息。需要說明的是，此處的CAD模型是一條或多條曲線。（3）測量胎線。將T-Probe開關(guān)打開，保證LED燈為開啟狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)。點(diǎn)擊功能欄至測量模式，選擇測量曲面點(diǎn)，曲面點(diǎn)類型選擇“Curve”（曲面點(diǎn)投影在一個曲線類型的CAD上），搜索距離為5mm。點(diǎn)擊T-Probe上的測量按鈕，結(jié)果會自動顯示在結(jié)果窗口。

　　4、大型裝配件測量應(yīng)用

　　4.1 坐標(biāo)系建立方法

　　4.1.1 產(chǎn)品固定在裝配工裝上的坐標(biāo)系建立方法

　　產(chǎn)品裝配后如果可重新回到裝配工裝上，可借用裝配工裝的基準(zhǔn)點(diǎn)來建立坐標(biāo)系。但這一做法的前提條件是裝配工裝在設(shè)計(jì)之初必須保證產(chǎn)品位置不動，即裝配工裝是基于產(chǎn)品位置進(jìn)行設(shè)計(jì)的。此類情況通常可采用最佳擬合法和六點(diǎn)法來建立坐標(biāo)系。常用坐標(biāo)系建立方法詳見3.1節(jié)。

　　4.1.2 產(chǎn)品不在裝配工裝上的坐標(biāo)系建立方法

　　如果出于某些原因產(chǎn)品無法回到裝配工裝上，同樣可使用六點(diǎn)法來建立坐標(biāo)系。前期準(zhǔn)備工作尤為重要。首先，要在CATIA中抽取產(chǎn)品的關(guān)鍵外形面，建立一個CAD數(shù)模，特別提示：最好不要直接使用產(chǎn)品數(shù)模；第二，對于大型裝配件來說，數(shù)模復(fù)雜，直接轉(zhuǎn)換時間長，易死機(jī)；第三，大型裝配件外層是蒙皮等較薄零件時，兩層曲面距離較近，后續(xù)測量時軟件自動選擇投影面時易選擇錯誤，造成最終結(jié)果偏差；最后，一定要將產(chǎn)品固定，六點(diǎn)法建立的坐標(biāo)系是基于產(chǎn)品的實(shí)際位置與理論點(diǎn)之間的擬合，一旦產(chǎn)品位置改變，坐標(biāo)系需重新建立。

　　4.2 產(chǎn)品外形檢測

　　對于大型裝配件的外形檢測，如果簡單地將產(chǎn)品CAD數(shù)模調(diào)入Metrolog是不容易轉(zhuǎn)換的。通過多年的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套方法：聯(lián)合激光跟蹤儀和CATIA可實(shí)現(xiàn)在激光跟蹤儀有效范圍內(nèi)的任何大型裝配件的外形檢測。

　　（1）測量外形。將T-Probe開關(guān)打開，保證LED燈在工作狀態(tài)。將T-Probe連接激光束，靜置片刻，Metrolog會自動識別并激活它。待聽到提示音后，證明T-Probe已激活，在工具欄上會出現(xiàn)相應(yīng)信息，表示目前處于6D測量狀態(tài)，點(diǎn)擊功能欄至測量模式，選擇測量幾何點(diǎn)出現(xiàn)如下窗口。特別提示，在測量前要保證溫度補(bǔ)償已經(jīng)打開，可通過計(jì)數(shù)器顏色進(jìn)行判斷。點(diǎn)擊T-Probe上測量按鈕，點(diǎn)擊“Accept”完成所需點(diǎn)的測量。

　　（2）實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出。文件→輸出→選擇輸出.txt格式→選擇輸出路徑→勾選“高級”進(jìn)行輸出設(shè)置→用“數(shù)據(jù)選取”來打開特性數(shù)據(jù)庫選取元素；用“刪除”來刪除要輸出的元素；用“上下選取”來移動元素排序→點(diǎn)擊“輸出”鍵輸出文件。

　?。?）數(shù)據(jù)處理。打開輸出的.txt文件→僅保留點(diǎn)名稱和XYZ坐標(biāo)值→保存.txt文件。

　?。?）輸入點(diǎn)云。打開CATIA→新建Digitized Shape Editor→點(diǎn)擊輸入點(diǎn)云→選擇剛剛保存過的.txt文件→點(diǎn)擊應(yīng)用→點(diǎn)擊確定→結(jié)構(gòu)樹上出現(xiàn)點(diǎn)云圖標(biāo)→更改點(diǎn)云屬性符號→屏幕上可見點(diǎn)云。

　?。?）結(jié)果分析。啟用零件設(shè)計(jì)→將點(diǎn)云定義成單獨(dú)的點(diǎn)→結(jié)構(gòu)樹上出現(xiàn)單獨(dú)的點(diǎn)→隱藏點(diǎn)云→導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)模→測量分析，如圖5所示。

 　　5、結(jié)論

　　通過對Leica公司生產(chǎn)的AT901-MR系列激光跟蹤儀測量原理進(jìn)行分析，總結(jié)出了一套檢測型胎及大型裝配件方法。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法行之有效，可在工廠中推廣應(yīng)用。