摘 要：介绍目前飞机装配、制造中具有代表性的计算机辅助测量系统设备——激光跟踪仪系统的工作原理及功能，并结合实例介绍了激光跟踪仪系统的应用，以及激光跟踪仪系统的发展趋势。 关 键 词：计算机辅助测量系统 激光跟踪仪 装配工装 全机水平测量
1.激光跟踪仪系统
1.1激光跟踪仪系统的概念
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，测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。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金属精密成型技术公司还推出了LT/LTD系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产需要。激光跟踪仪因不同领域需要，其种类也有很多种，在此仅以航空领域应用较多的一类激光跟踪仪为对象进行介绍。
1.2激光跟踪仪系统的组成
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。系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机以及反射器。见图2
图2
8 Z- p1 W) K2 ~三维网技术论坛(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。见图3
图3
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、跟踪处理器和网卡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。
2 F$ ^( v6 o( T# c- [$ x- n(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：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（靶标）：是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标值来描述被测对象的形状和尺寸。靶标有3种不同型号（见表一）。本系统中采用玻璃菱镜反射器。
I- e% \8 s |; c% J) Z) Y三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa(6) 气象站：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。
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。
1.3激光跟踪仪系统的原理
要介绍激光跟踪仪系统的原理就要从两部分进行介绍：激光跟踪的原理和激光跟踪仪系统坐标测量的原理。
1.3.1激光跟踪的原理
当跟踪系统处于平衡状态时，如图4 所示，由激光发生器射出的光束，经过干涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心闸机门禁系统。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。
当目标反射镜运动一个位移量后，如图5 所示。此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2λ工业氯化钙。返回光经过分光镜，一部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状态。
1.3.2激光跟踪仪系统坐标测量的原理
首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图6 所示。
设P（x，y，z）为被测空间点假设点P到点O的距离为L，OP关联成像与薯片机Z轴的夹角为β，OP在xy平面内的投影与x轴的夹角为α，则点P（x卫生裤头，y，z）的表达式为：
其中，α、β的值由安装在跟踪头中的两个编码器给出，L的值通过安装在激光头中的激光干涉仪获得。
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，它的动态性能较好。
激光干涉法测距原理为：由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作为干涉参考光，S2作为测量光。当S2经目标反射镜反射回来时，与S1汇合成相干光束。若两列光S1和S2的光程差为nλ（λ为波长，n为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，出现明条纹。若S1 和S2 的光程差为λ/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，此时光强最小，出现暗条纹。所以当目标反射镜在空间运
动时，由于S1 和S2 光程差的变化，明暗相间的条纹也会发生变化。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，实现对位移变化量的检测。
由以上原理可知激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一个固定点叫鸟巢，测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与跟踪头中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜进行空间点的测量。由于激光干涉仪是增量码仪器，所以在测量过程中一旦发生丢光，干涉仪就会停止计数，测量就无法继续，整个测量过程就必须重新开始。此外，测量系统给出的三维坐标值是目标反射镜的中心位置，理论上目标反射镜的中心均与其外面的球形外壳中心重合，所以要获得被测点的实际坐标值还要对直接测量值进行半径补偿。
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