激光跟踪仪在飞机外形测量中的应用

摘 要：本文简单介绍了激光跟踪仪测量系统的原理，同时介绍了使用激光跟踪仪测量飞机外形，相对于传统测量方法的优点，以及测量过程硬件连接、设备校准、分析模型的建立、数据采集及数据分析的方法。

关键词：激光跟踪仪；测量；空间点；建模

1 引言

飞机气动外形与飞机的动态特性及所受到的空气动力密切相关，气动外形的优劣关系到飞机的飞行特征及性能。飞机襟翼是一种增升装置，多用于起飞时缩短起飞距离，降落时最大化减速以及使飞机在极低速度情况下保持机身平衡。

2机外形测量的方法

对于像飞机这样体积大、曲面复杂产品的外形测量，目前基本采用传统的卡板式外形测量方法进行测量，即通过测量装配型架上设置的不同站位的多个与飞机框切面曲线相对一致的外形卡板和飞机轮廓面上对应点间的距离，来间接测量飞机外形轮廓，这种方法会造成卡板数量非常多、测量点密集、效率低下、测量不准确等问题，从而很难满足产品的工程要求。

激光跟踪仪在外形测量中的应用，弥补了转包生产飞机外形测量的空白，无论是在测量准确度、效率上，激光跟踪仪远远超过了传统的测量方法，同时在工作强度上也远低于较传统方法。

3 激光跟踪仪的测量原理

干涉距离测量 （IFM） 和 绝对距离测量 （ADM）

激光跟踪仪包括一个红色氦氖激光束，激光束被靶球（SMR）反射回来。激光跟踪仪通过测量俯仰角（EL）和水平方位角（AZ）以及一个半径距离来决定反射镜中心点的球坐标。角EL和AZ用安装在激光跟踪仪仰角轴和方位角轴上的编码器测量。半径用一个叫做干涉计的装置测量。干涉计根据光的氦氖激光的稳定波长测量半径大小。坐标数据被传送到装有Spatial Analyzer的电脑主机。Spatial Analyzer把这些数据传送到一个用户根据数据系统定义的坐标结构中。

因为干涉计测量距离时是相对测量，激光束路径被打断时距离测量就会变得不合理。这个中断直到反射镜被测量到一个已知的参考距离例如初始位置来为干涉计重置初始距离，从而继续干涉测距，例如我们通常所说的"回巢"就是在为干涉计重置初始距离，或者通过ADM来为干涉计置距离。

4 采用激光跟踪仪进行外形测量的方法

4.1 测量前的准备

（1） 模型建立：激光跟踪仪仅仅具备基本的建模模块，其功能只能用来观察测量效果，而对于点、线、面的复杂处理，则需要其他的图形处理软件来协助完成，这里需要用CATIA软件来完成产品理论外形模型的建立。

依据产品工程数模中外形轮廓度要求，按照不同的轮廓度公差从产品数模中提取出对应的曲面，然后将包含所有提取曲面的几何模型另存为SA软件可以读取的后缀为"STP"或者"IGS"的文件，即完成理论模型的建立。

（2）硬件连接：将激光头固定在三脚架或提供的三个支撑座上。考虑到测量距离是基于激光干涉的原理，如果测量时光线被阻断，靶球就必须回到鸟巢，因此在测量前必须首先考虑是否存在可能导致断光的情形，然后将控制盒分别与跟踪仪的激光头、PC机、环境参数传感器进行连接。

（3）激光跟踪仪校准：在激光跟踪仪完全预热之后（开机至少30分钟）和采集数据之前，使用跟踪仪自带的校准软件（TrackCal）进行前视/后视现场检查，其目的是通过它的水平和垂直角的测量范围验证激光跟踪仪是否进行准确的测量，此时跟踪仪所处环境必须稳定。例如，无吹风，或门和窗户打开能引起空气流动。

4.2 测量系统的建立

（1）利用激光跟踪仪测量飞机部件外形，首先要确定部件的空间坐标，保证所要测量到的外形空间点都在一个坐标系中，以便于测量点与同样建立机坐标系中的理论模型进行比对分析。在完成激光跟踪仪的校准后，利用Spatial Analyzer（以下均简称SA）软件采用单点测量模式，用CCR（反射器）对工装上的RES点进行测量。

（2） 利用SA软件数据读入功能，将现有的装配工装ERS点的理论坐标值（相对机坐标系）导入，与上一步骤中所测得的实测值进行拟合，从而建立一个与飞机坐标系相一致的测量坐标系。

4.3 产品外形数据采集

将测量模式切换至空间扫描，并将采点率设置为每2英寸一次，即目标发射器扫过的空间曲线上相邻点的间隔为2英寸。为了便于操作，使用1.5英寸CCR进行测量，测量时目标反射器紧贴着产品外形曲面移动进行采点。

4.4 数据分析

将数据采集所获得的测量点集，以及产品轮廓度理论模型，分别导入SA软件，然后按照不同的公差对各个区域进行实测值与理论值的比对分析。

从主菜单中选择：查询（Query）多个点（Points） 到对象（Object），按照提示选择多个点，然后选择对象， SA将自动求出各个点在该对象上的投影点，并用各个点与其各自的投影点建立矢量，矢量的生成方式可以进行设置，由于在测量中采用的是用靶球或者探针接触式测量，实际采集的点坐标到对象表面有一个固定的偏移量，"制作一个矢量组"组中，"偏移表面"表示先将对象偏移一个靶球或探针偏移量然后再将点投影在该对象上从而建立矢量组，在"偏移表面"选项中可以按照标注的矢量方向自行选择。"偏移探针"表示先将各个点向着对象偏移后再用各个点与其各自的投影点建立矢量组，然后可以自定义矢量方向。

在"建立点组"选项组中，可以自行选择新建立点组的类型。第一个为将各个点沿着其与对象的矢量方向偏移后建立一个新的点组，第二个为将对象进行偏移后将各个点在对象上的投影点建立一个新的点组，第三个为直接将各个点在对象上投影点建立一个新的点组。

在"生成报告"选项组中可以设置建立矢量组名称的前缀，在测量中有些边缘点的测量若误差较大时，将会投影到别的面上，这时若钩选"忽略边缘投影"选项则可避免。

在"探针偏移量"组中，若想自行定义探针的偏移量，则可先点选"替代"，然后输入偏移量。"添加额外的材料厚度"为增加材料厚度，即增加靶标偏移量。

所有的实测点均用法矢量线显示，每条法矢量线长度表示该采集点相对理论值的偏差，其中正负偏差可以分别用不同的颜色加以区分。

4.5 报告生成及结果输出

在SA中，生成报告的方式有很多种，可以快速生成点组或者对象组的报告，也可以根据自己需要设计相应的报告模板从而生成自己所需要的不同格式的报告，例如：PDF、EXCEL等格式。

5 结论

航空制造领域，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，在部件装配的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的检测，检测过程中测量误差可能会导致很严重的后果，因此必须保证航空领域测量的精确性，这样才能保证飞行器的安全性，激光跟踪仪测量系统的现场性和实时性以及它的高精度性都满足飞行器型架定位安装，外形尺寸等的检测，因此，激光跟踪仪在飞机装配过程，尤其是在外形测量的应用具有一定的推广价值。