激光跟踪仪讲解

1.1 概述激光跟踪测量系统（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。

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。

LTD系列的激光跟踪仪采用了Leica公司专利的绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica统一的工业测量系统平台Axyz下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等[8]。

激光跟踪系统在我国的应用始于1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统；2005年上海盾构公司引进了Leica公司的一套LTD600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。

1.2 激光跟踪测量系统的基本原理[52]近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了各自品牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成的。

在本文中，实验采用的是LTD600激光跟踪测量系统（图2.1），因此具体讨论的基本原理是基于LTD600型的激光跟踪测量系统。

图2.1 LTD600激光跟踪测量系统1.2.1 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。

它的结构原理如图2.2所示。

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。

(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。

图2.2 激光跟踪仪结构原理图(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（图2.3）。

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。

图2.3 控制器(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：经过专业人员的配置后，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：采用球形结构，因此测量点到测量面的距离是固定的。

本系统中采用三面正交镜的三重镜反射器。

(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,如图2.4。

图2.4 气象站(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。

1.2.2 系统的基本原理[7]激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。

同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。

简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。

激光跟踪仪的坐标测量是基于极坐标测量原理的（图2.5）。

测量点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角H和垂直角V，以及反射器到跟踪头的距离D计算出来的。

本系统在实际应用中采用的一站法激光跟踪测量系统。

图2.5 一站法激光跟踪仪坐标测量原理计算公式为：（2.1）系统的工作原理从以下几个部分进行讨论：（1）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。

（2）距离测量部分：由IFM装置和ADM装置分别进行相对距离测量和绝对距离测量。

IFM是基于光学干涉法的原理，通过测量干涉条纹的变化来测量距离的变化量，因此只能测量相对距离。

而跟踪头中心到鸟池（图2.6）的距离是已知固定的，称为基准距离。

ADM装置的功能就是自动重新初始化IFM，获取基准距离。

ADM通过测定反射光的光强最小来判断光所经过路径的时间，来计算出绝对距离。

当反射器从鸟池内开始移动，IFM测量出移动的相对距离，再加上ADM测出的基准距离，就能计算出跟踪头中心到空间点的绝对距离。

图2.6 鸟池（3）激光跟踪控制部分：由光电探测器（PSD）来完成。

反射器反射回的光经过分光镜，有一部分光直接进入光电探测器，当反射器移动时，这部分光将会在光电探测器上产生一个偏移值，光电探测器根据偏移值会自动控制马达转动直到偏移值为零，实现跟踪反射器的目的。

1.2.3 激光跟踪仪的测量精度和系统误差校准方法激光跟踪仪的测量精度主要取决于测角和测距的精度以及测量环境的影响。

以Leica公司的LTD600型激光跟踪仪为例，它的角度分辨率为0.14″，角度测量精度达2.0″；单频光外差干涉法测量距离的分辨率为，距离的测量精度达，其精度主要受到温度和气压测量精度和变化及大气条件均匀性的影响，同时，干涉法距离测量的精度还受到基准距离校准精度的影响，因为基准距离校准误差将会成为干涉测距的系统误差；ADM绝对测距仪采用光偏振的工作原理，它的距离测量分辨率达，在全量程范围内的距离测量精度为；跟踪仪最大量测距离为，水平方向的量测范围达，垂直方向的量测范围为。

在测量范围内，IFM相对坐标测量精度达到 (即)；ADM 绝对坐标测量精度达到 (即)。

当然系统精度还取决于工作场地和环境的稳定性，一般要求在室内较稳定的工作条件下。

之前提过激光跟踪仪的三轴，理论上，三轴之间是要保持正交关系，但由于实际的机械加工，安装调整误差和电子零点误差等影响，轴系间不可能到达理想的正交状态，这也是系统误差存在的原因。

在李广云教授的论文[8]中指出，按物理意义激光跟踪仪角度测量的系统误差分为15类，即有15个校准参数，分别是：水平轴倾斜误差i、旋转镜倾斜误差c、激光束倾斜误差lx和ly、水平轴偏移误差e、旋转镜偏移误差f、激光束偏移误差Ox和Oy、平行玻璃板偏移误差O2x和O2y、垂直度盘指标差j、水平度盘偏心差Ex和Ey、垂直度盘偏心差Kx和Ky。

这些系统误差的检验类似于经纬仪或全站仪的检验，并且在配套的系统软件中已经添置了专门的仪器校准程序，操作人员只要将测定的误差参数存于应用计算机中，在实际作业中这些参数会被自动传送到跟踪仪控制器中，用来补偿修正各类测角测距观测值。

为了简化操作过程，在激光跟踪仪出厂前厂家同时给出了一组校准后的参数供用户参考，但考虑到重新安装、环境变化、长途运输等因素的影响，用户也应自行检测。

校准方法可参考经纬仪等的校准，具体的方法可参考仪器出厂的使用说明书。

不同于经纬仪或全站仪，跟踪仪中有个基准距离，即跟踪头中心到鸟池的距离，基准距离的测定误差称为基距误差C，它属于测距系统误差。

基距误差的测定方法在文献[7]中提出，选取两个稳定点1、2，两点相距3～4m，确保两点基本与跟踪头处于同一高度，在A，B两点分别设站，分别观测1、2点的水平角、垂直角、距离三类共12个观测值，根据余弦定理可以计算出C值。

具体计算公式为：（2.2）两式并整理得：（2.3）式中，（2.4）在实际计算基距误差中，根据图2.7所示，在A、B两站分别观测1、2两点，按式(2.3)可以计算得出基距误差C。

图2.7 基准距离校准方法实际上，C的值是基准距离的变化部分与反射器常数之和，所以对于不同类型的反射器，C的值也会发生变化，对于不同的反射器需要分别进行校准。

1.2.4 系统的应用激光跟踪仪配备了高精度的水平和垂直角度编码器，实现精确的角度测量；专利的徕卡激光干涉仪实现精确的相对距离测量；高精度的绝对测距仪则实现快速检测。

这些特点弥补了对大型构件的传统测量方法——经纬仪法的不足之处，例如人工测量的效率相对较低、观测精度差等缺点。

激光跟踪测量系统测量范围大、携带方便、对环境要求不高、适合现场作业等优点，使它的应用领域逐渐扩大。

在重型机械制造业中，大尺寸部件的检测和逆向工程常采用激光跟踪测量系统。

在零部件生产中，该系统可以快速精确地检验每个成品零部件的尺寸是否与设计尺寸完全一致，同时迅速地数字化零部件的物理模型，得到的数字化文件可以用各种方法处理从而得出测量结果。

在机械领域中，逆向工程(Reverse Engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。

CMM是逆向工程中的接触式测量方法，由于激光跟踪测量系统的原理也是基于三维坐标测量的方法，所以这套系统也在逆向工程中应用。

激光跟踪测量系统对工件模型进行扫描测量后建立数据模型，由数据模型生成可以被加工中心识别的加工程序，从而加工出模具[9]。

三维管片和模具测量系统就是激光跟踪测量系统的一个工程实践应用（图2.8），通过跟踪测量已经制成成品的管片各面上的空间点的坐标，经过坐标系转换纠正，将各面上的数据点拟合成平面或曲面，检验管片的尺寸与设计尺寸的偏差，以便判断成品的质量是否合格。

比起传统的检测测量方法，此套系统测量速度快，能在短时间内采集大量空间数据点信息，同时可以直接处理数据，给出成果报表，工作效率高，也大大节省了人力物力，一般只需要一个计算机操控人员及一个手持反射器移动的作业人员。

该套系统同样也适用于制造管片的模具的测量检测。

图2.8 三维管片和模具测量系统在汽车工业领域中，激光跟踪测量系统常用来在线检测车身、测量汽车外形、汽车工装检具的检测与调整。

在文献[10]中举出了汽车外形测量的实例，通过激光跟踪仪采集汽车不同部位的点云数据，再进行拼接得到完整的汽车曲面点云数据，利用三维造型软件得到汽车三维模型，在测量过程中，应调整好激光跟踪仪与汽车的相对位置，尽量减小角向测量长度，提高汽车点云数据精度。