激光跟踪仪：在大尺寸高端装备中大显身手

说起激光跟踪仪，高端装备制造企业对它大概并不陌生，它是一种大尺寸空间几何量精密测量仪器，是大型高端装备制造的核心检测仪器，具有测量功能多（三维坐标、尺寸、形状、位置、姿态、动态运动参数等）、测量精度高、测量速度快、量程大、可现场测量等特点。检测的装备体积越大越能显示出此类产品的优越性，所以它更多出现在航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、能源、科研、医疗等领域等先进制造领域。

激光跟踪仪是激光干涉测距技术、激光绝对测距技术、精密测角技术、光电探测技术、精密机械技术、精密跟踪技术、现代数值计算理论等各种先进技术的集大成之作，需要突破百米的测量范围、毫秒级的测量时间、微米级的测量精度以及动态实时跟踪测量等各项技术难点，技术门槛非常高，需要长期的经验积累，几乎不存在弯道超车的可能性。目前，世界范围内主要有美国FARO、美国API、瑞士Leica三家公司生产销售激光跟踪仪，我国当前尚无成熟的激光跟踪仪产品销售。因此，攻克关键技术难点实现激光跟踪仪国产化迫在眉睫。

由于激光跟踪仪的重要性、特殊性和不可替代性，国家层面高度重视激光跟踪仪的自主研发。中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队（以下简称该团队）一直致力于实现激光跟踪仪的国产化。

该团队激光跟踪仪的研发历史已有十余年，并阶段性取得骄人成绩：

（1）2011年中科院微电子研究所 (原中科院光电研究院激光跟踪仪研发团队)在国内率先开展激光跟踪仪整机研制；

（2）2013年推出国内首台原理样机，初步形成具有一定规模的、专业稳定的整机开发团队，引领国内激光跟踪仪的整机与系统关键技术发展，积极追赶国际前沿；

（3）2017年推出国际首台三自由度飞秒激光跟踪仪样机，从技术层面上实现了跨越式发展；

（4）2021年研制成功国内第一台六自由度激光跟踪仪样机，并通过技术指标测试；

（5）2021年三自由度激光跟踪仪进入到产业化阶段，立足海宁集成电路与先进制造研究院，组建了数十人的激光跟踪仪产业化团队，建立激光跟踪仪小批量生产线。

该团队在激光跟踪仪领域取得了一系列具有自主知识产权的研究成果，共申报发明专利32项（已授权21项），软件著作权6项，发表研究论文60余篇。2020年激光跟踪仪成果通过了中国仪器仪表行业协会组织的成果鉴定，鉴定委员会认为：“本研究成果技术难度很大，创新性很强，取得了多项自主知识产权。整体达到国际先进水平，研制的激光跟踪仪填补国内空白，飞秒激光跟踪仪属国际首创，其中绝对测距精度、断光续接精度达到国际领先水平。”该成果荣获中国机械工业技术发明特等奖和中国计量测试学会科技进步一等奖。

该团队目前主推三自由度激光跟踪仪ICAM-LT-3DOF、六自由度激光跟踪仪ICAM-LT-6DOF如图1所示。除此以外，该团队还可以根据用户的要求定制解决方案，更加贴近客户的使用需求，解决用户的“非标”问题。

当三自由度激光跟踪仪工作时，如图2所示，激光测距系统获得靶球到仪器的精确距离r，方位编码器和俯仰编码器测角系统分别测出目标方位角A和俯仰角E，利用这三个原始测量值，就可以通过球坐标与直角坐标之间的转换关系获取空间三维直角坐标（X，Y，Z）。

合作靶球在空间移动时，从合作靶球返回的一部分光会进入激光跟踪仪内部的位置检测器（PSD，Position Sensitive Detector），随着合作靶球的移动PSD将探测偏移值，跟踪控制系统根据这个偏移值控制方位和俯仰电机转动直到偏移值为零，从而达到跟踪的目的。

测量组合参数(A，E，r) 经过坐标转换得到空间三维直角坐标（X，Y，Z）后，经过数据分析软件可以得到被测对象各种几何量参数。激光跟踪仪数据采集系统将测量数据发送至上位机以后，经上位机解析可以确定目标的三维尺寸、几何形貌等信息，并通过计算机实时显示并打印测量结果。

六自由度激光跟踪仪为三自由激光跟踪仪的升级产品，如图3所示，在空间位置信息测量的基础上加入了视觉测量、光电测量和惯性测量等模块，用以获取目标空间姿态信息。首先需要建立激光跟踪仪坐标系与上述测量模块之间的转换关系，并通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角测量；在上述基础上，基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量，最后实现三个空间姿态角的测量；除此之外，还融入了惯性测量单元IMU的测量信息，用于动态条件下的辅助测量。

图4 六自由度激光跟踪仪原理图

该团队历经10余年的垂直深耕，在激光跟踪仪领域相继突破了高速激光干涉测距、高精度绝对测距、精密跟踪转台设计、高精度测角、动态伺服跟踪、目标快速识别锁定、多源融合姿态测量、系统误差检测与补偿等多项关键技术，在80m范围内，跟踪测量速度大于4m/s，具有良好的目标快速识别锁定能力，测量精度达到15μm+6ppm，技术性能跻身国际先进行列。

在大尺寸精密测量领域，激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、功能多、可现场测量等优点，取代了大型固定式三坐标测量机、经纬仪、全站仪等许多传统测量设备，在设备校准、部件检测、工装制造与调试、集成装配和逆向工程等应用领域显示出极高的测量精度和效率，激光跟踪仪已成为大尺寸精密测量的主要手段，在实践中可以为为航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、科学研究、能源、医疗等领域等行业提供可靠的技术保障。

（1）航空航天领域

在航空航天制造领域，飞行器具有外形尺寸大、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，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的几何检测。激光跟踪仪测量的现场性和实时性以及它的高精度可以满足飞机型架和工装的定位安装、飞机外形尺寸的检测、大型零部件的检测以及飞机维修等工程测量需求。

例如，测量一架大型飞机的内外形尺寸，首先要确定整架飞机的空间坐标，保证所测量的外形尺寸空间点都在同一坐标系中，可以布置足够的激光跟踪仪测站，这些测站保证了飞机上、下、左、右、前、后等整个外形都在激光跟踪仪测量范围内。其次要保证飞机处于静止状态，测量过程中不能产生移动。激光跟踪仪在每个测站测量某一个区域的飞机外形坐标点，将各个测站下的飞机外形坐标连接起来就构成整架飞机的外形尺寸坐标，对这些点进行处理可形成飞机外形的数字模型。激光跟踪仪扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，大大提高了飞机测量的工作效率。

（2）汽车制造领域

在汽车制造领域，激光跟踪仪用于车身检测、汽车外形测量、汽车工装检具的检测与调整。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。

另外，汽车生产线需要以最高级别的自动化程度和准确性进行定期检测，以进行重复性和适产性测试。激光跟踪仪这种移动坐标测量设备适合工业现场使用，在检测工程中使汽车生产的停工期大幅缩短。

（3）重型机械制造领域

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仪。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一致，同时将零部件物理模型迅速数字化，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。在工件模具生产中，激光跟踪仪对工件模型进行扫描测量后建立数据模型，由数据模型生成可被加工中心识别的加工程序，从而加工出模具。

三维管片和模具测量系统也是激光跟踪仪的典型工程应用之一，通过跟踪测量成品管片各个表面上的空间点坐标，经过坐标系转换和纠正将表面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，便可判断成品的质量是否合格。与传统的检测方法相比，激光跟踪仪测量速度快，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，不仅工作效率高，而且大大节省了人力物力。

（4）重工与船舶领域

在造船工业领域中，激光跟踪仪常用于舰船外形尺寸检测、重要部件安装检测与逆向工程等。例如，船舶制造公司对于甲板都有着极高的要求，每一个拼接块的连接点都必须恰好能够和另外一片拼接块严丝合缝对接，且甲板外侧的外观必须与船体形状严格吻合，如此才能体现船舶的质量和性能。激光跟踪仪能够实时地对长度以及横向曲率进行测量，代替笨重的模板进行现场装配与检测，可使生产时间节约60%-70%，大大提高了船舶的生产效率。

（5）能源领域

在能源领域，激光跟踪仪常用于大型零部件的高精度加工、尺寸检测和辅助维护。例如，水力发电站中，新的涡轮发电机投入工作之前，必须获得精确的涡轮机转子形状，以便后续的勘测；当进行水力发电站的检测时，需要对在役涡轮机转子开展数字化测量，从而确定涡轮转子的磨损情况。

在风力发电站中，对大型风电轮毂叶片外形尺寸进行高精度测量是保证风电轮叶片正常工作的关键。激光跟踪仪能够完成定轴轴径、同轴度、轮毂连接孔位置度的高精度测量，并且仪器轻便灵活、精度高、测量范围大、能够现场测量，已成为风电行业的必然选择。

（6）科研领域

在科研领域中，激光跟踪仪在粒子加速器的定期检测与调整、重要核心部件安装检测以及机器人制造校准中发挥了重要作用。例如，机器人在工厂机械安装、马达驱动安装、夹具重组等整个生产周期过程中必须保持规定的精度，才能称为高性能工业机器人。机器人设计尺寸与实际生产尺寸的偏差往往较大，主要是由于机械公差和部件安装误差所引起的。在校准机器人的实际应用中，一般有两个工作测量组，一组负责装配机器人，一组则负责检测校准安装部件，激光跟踪仪安置在这两个测量组之间。操作人员通过计算机控制定位，激光跟踪仪可以监测两个工作小组的测量工作。在一组操作人员利用激光跟踪仪检测机器人配件的同时，另一组工作人员负责装配经过检测的工件，装配后再利用激光跟踪仪进行校准。这样，大幅提高了机器人生产安装的工作效率，也节省了人力物力。

（7）医疗领域

在医疗领域中，质子医疗机在治疗时最重要的是需要准确定位患者体内癌细胞位置，通过控制治疗床移动，将患者需要治疗的部位送到有效的治疗区域内，才能够进行准确有效的治疗。因此医疗机在安装调试时，要求系统能够控制机械臂，将末端工装精确地移动到理论位置。这对测量方案提出了更高标准的要求：能够准确调整病灶中心的位置，X、Y、Z方向偏差要求小于0.1 mm；能够调整连接法兰的姿态精度，RX、RY、RZ要求小于0.1°，同时检测、分析效率要尽可能高。

在质子医疗机安装调试过程中，激光跟踪仪可以提供简单便捷的应用方案。首先通过测量固定在墙体上的定位点，建立离子源坐标系，在软件中将机器坐标系定位到离子源坐标系统；通过坐标转换得出病灶中心与工装上定位孔的坐标关系，解算出定位孔的坐标。其次，将反射球放置在定位孔上，通过监视窗口功能查看当前位置偏差，实时调整工装，使偏差逐渐缩小至公差要求。

该团队研发的激光跟踪仪已在卫星天线变形与位姿测量技术、飞机大型部件装配测量技术、船舶分段对接测量技术、高能加速器准直调节测量技术、工业机器人现场校准技术等领域开展了一系列应用研究，并取得了良好的社会效益。

制造业中的智能装备、复杂结构制造、高精密制造和装配的兴起，对于测量系统提出了精度更高、智能化程度更高、适应性更强的要求。激光跟踪仪作为最先进的三坐标及姿态精密测量仪器之一，将为工程技术及科学研究大尺寸精密测量提供有效的解决方案。由于激光跟踪仪应用范围广、测量效率高、测量精度高，该仪器在高端制造领域扮演的角色越来越重要。激光跟踪仪的国产化，对于我国的制造业，尤其是高端制造领域，具有十分重大的意义。

目前，国家政策一直在主张推进仪器的国产化，实现国产仪器与进口仪器的同台竞争。中国仪器仪表行业协会与中国和平利用军工技术协会在此方面做了大量的工作，这对国产激光跟踪仪的市场化推进是极大的政策性优势。在国防军工行业，激光跟踪仪的应用主要在导弹的测量、潜艇的测量、战斗机的装配、军舰的测量、天线的装配及外形检测，大型结构件测量检测等。由于进口的高端激光跟踪仪含有摄像头装置，这对我国国防军工行业造成了安全隐患。另外，由于进口激光跟踪仪不对我国展示源代码，不排除进口激光跟踪仪含有潜在的功能，这对我国部分商业秘密也带来了风险。如此种种安全隐患更是急需国产激光跟踪仪技术的开发与产品的应用。

这是提供给国内企业的机会更是挑战。该团队也将借助他们国际领先的技术优势、可靠的数据链优势，以及强有力的价格优势和维修服务优势，不遗余力的为客户提供高质量的定制化产品和服务。

结束语

随着中国先进制造业和高端装备的飞速发展，以激光跟踪仪为代表的高精度、数字化、智能化的精密检测设备已经成为这些领域企业占领行业制高点的制胜法宝。一方面，激光跟踪仪在先进制造和高端装备领域的关键作用日益凸显，成为制造行业的核心仪器，国内对激光跟踪仪的需求量激增，国产化呼声高涨；另一方面，近年来西方对我国的技术限制和打压，使激光跟踪仪的采购和售后具有一定的不确定性，这将影响我国高端装备的发展，所以国家对激光跟踪仪等关键核心仪器的国产化大力支持。显而易见，未来激光跟踪仪的产业化具有极为光明的市场前景。