向 陽 張國際 沈祥開

(中冶連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司項目管理部，武漢 430073)

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基于激光跟蹤儀檢測安裝現(xiàn)場基準(zhǔn)點的新方法

向 陽 張國際 沈祥開

(中冶連鑄技術(shù)工程有限責(zé)任公司項目管理部，武漢 430073)

介紹了工業(yè)設(shè)備安裝現(xiàn)場永久基準(zhǔn)點的精度要求，以及激光跟蹤儀檢測點位的基本原理。從永久基準(zhǔn)點的檢測手段方面對檢測精度的控制進行了分析并提出了高精度檢測永久基準(zhǔn)點的新方法。目前該方法已經(jīng)成功運用到工程項目檢測中，效果良好。

安裝現(xiàn)場；基準(zhǔn)點；激光跟蹤儀；檢測

0 引言

目前，工業(yè)設(shè)備的安裝主要通過經(jīng)緯儀、全站儀等光學(xué)儀器測量放線、標(biāo)定永久基準(zhǔn)點的方式進行，其中永久基準(zhǔn)點一般通過“樣沖”點方式作保留，便于設(shè)備進行安裝和調(diào)整時使用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備安裝工程中的安裝精度要求越來越高，而傳統(tǒng)的測量方式因耗時長、操作復(fù)雜和誤差較大等因素已逐漸被先進的測量方式所取代，激光跟蹤儀就是其中的一種先進測量系統(tǒng)，它不僅能夠用于設(shè)備安裝時的測量，還可以作為傳統(tǒng)測量方式的精度檢驗工具。但是，激光跟蹤儀的靶標(biāo)(反射球)無法直接精確地檢測到“樣沖”基準(zhǔn)點，使整個測量工作難以有效開展，限制了激光跟蹤儀測量優(yōu)勢的發(fā)揮。本文通過基準(zhǔn)點檢測難點的分析，設(shè)計加工出一種測量工裝基座并成功運用到實踐中，尋找到了一種檢測基準(zhǔn)點的新方法。

1 傳統(tǒng)測量方式與激光跟蹤儀測量系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)測量方式的基本流程

1)確定基準(zhǔn)點的標(biāo)板；2)必須精準(zhǔn)地確定底層的橫、縱向中心線；3)確定與底層縱向中心線相關(guān)的輔助中心線；4)標(biāo)出輔助中心線上方各個控制點的起點位置；5)確定輔助中心線上方各個控制點的位置；6)投測其它層(即底層以外)的基準(zhǔn)線網(wǎng)格[1]。

上述控制點即工業(yè)設(shè)備安裝的永久基準(zhǔn)點，它不僅是設(shè)備安裝基準(zhǔn)線的樣點(直徑小于0.5mm[2])，而且還是測量放線精度檢驗和日后設(shè)備檢修的基準(zhǔn)點，作永久保留。

1.2 激光跟蹤儀測量系統(tǒng)原理

激光跟蹤儀系統(tǒng)2個角編碼器自動測量靶標(biāo)(反射球)，相對于跟蹤儀的水平方位角和垂直方位角；靶標(biāo)(反射球)與激光跟蹤儀之間的距離由激光干涉儀測量。這些信息經(jīng)傳感器電纜傳給激光跟蹤儀控制機，整理計算后，一部分信息經(jīng)馬達電纜反饋回激光跟蹤儀，控制伺服馬達，使激光跟蹤儀始終鎖定移動中的靶標(biāo)(反射球)；另一部分信息經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給應(yīng)用處理機，儲存在數(shù)據(jù)庫中[3]。

激光跟蹤儀為一個球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，以其回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點，建立測量坐標(biāo)系，其測量原理如圖1所示。P為被測點(靶標(biāo))，通過激光干涉測距測量極徑L，利用兩個角度編碼器分別測量水平方位角a 和豎直方位角β，即可通過如下公式確定被測點P的空間坐標(biāo)(x，y，z)[4]。

x=Lsina sinβ，y=Lcosa sinβ，z=Lcosβ

圖1 激光跟蹤儀測量原理

激光跟蹤儀較電子經(jīng)緯儀的優(yōu)點是：測量結(jié)果與操作人員的技術(shù)水平無關(guān)(不需人員瞄準(zhǔn))，可全自動跟蹤反射裝置，將反射球在被測物表面移動，可實現(xiàn)該表面的快速數(shù)字化測量。激光跟蹤測量系統(tǒng)的測量速度是其它系統(tǒng)無法比擬的，特別適合于動態(tài)目標(biāo)的檢測，它的測量精度高、測量半徑大，是目前工業(yè)高精度測量中的主要儀器[5]。

靶標(biāo)—反射球按外徑尺寸來分，有12.7、19.05、38.1及88.9mm等幾種，其中直徑38.1mm的空心球應(yīng)用最為廣泛[6]，38.1mm反射球如圖2所示。

圖2 38.1mm反射球

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)效率高、精度高、可信度高，是未來工業(yè)設(shè)備安裝測量的發(fā)展趨勢。經(jīng)過傳統(tǒng)方式完成的設(shè)備安裝，若使用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)進行檢驗及校正，將會大大提升設(shè)備安裝的整體質(zhì)量。

2 激光跟蹤儀檢測工業(yè)設(shè)備安裝的永久基準(zhǔn)點

2.1 基準(zhǔn)點檢測難點分析

不論采用哪種測量方式，都必須首先檢測工業(yè)設(shè)備安裝的永久基準(zhǔn)點。運用激光跟蹤儀，檢測到這些點后建立三維空間坐標(biāo)系，再對設(shè)備上的被測部位進行測量，最后通過處理機進行數(shù)據(jù)處理，就能快速得出目前設(shè)備安裝的精度狀況。然而，在實際過程中，通過反射球精確地檢測到這些永久基準(zhǔn)點存在很大的困難，一方面38.1mm的反射球、甚至12.7mm的反射球均無法準(zhǔn)確定位到小于0.5mm的“樣沖”點上，另一方面手持反射球因人為的微量抖動更無法精準(zhǔn)地檢測到基準(zhǔn)點。所以，如何找到精確的方法檢測到這些基準(zhǔn)點，成為激光跟蹤儀測量系統(tǒng)發(fā)揮其優(yōu)勢的首要問題。

2.2 基準(zhǔn)點精確檢測的新方法

這些基準(zhǔn)點—“樣沖”點一般為測量放線的橫、縱向基準(zhǔn)線的樣點，操作者只需確定“樣沖”點的橫、縱向(X，Y)坐標(biāo)值即可，無需考慮其高程。那么反射球無需直接接觸“樣沖”點，只需保證反射球球心與“樣沖”點均在同一鉛垂線上就能精確地檢測到該點的橫、縱向坐標(biāo)值。

基于此，參考光學(xué)測量儀器的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計出了基準(zhǔn)點測量工裝基座，該基座主要由基座本體、調(diào)平螺栓和高精度萬向水準(zhǔn)泡構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其實物照片如圖4?；倔w上加工出反射球放置位置、“樣沖”點定位孔、萬向水準(zhǔn)泡裝配位置、調(diào)平螺栓安裝位置等，這些加工部位間的形位公差要求嚴(yán)格，特別是在反射球放置位置與“樣沖”點觀察及對準(zhǔn)孔之間的同軸度加工上，必須保證設(shè)計所要求的公差值，才能減小反射球球心與“樣沖”點不在同一鉛垂線上的誤差，達到檢測的精度要求。目前筆者已同時申請了發(fā)明專利(專利號：201310636713.2)和實用新型專利(專利號：201320783541.7)。

圖3 基準(zhǔn)點測量工裝基座本體結(jié)構(gòu)

圖4 基準(zhǔn)點測量工裝基座實物

使用該測量工裝的具體步驟為：首先將調(diào)平螺栓支起基座本體并放置于“樣沖”點之上，能夠通過φ1.5mm的小孔粗略地觀察到“樣沖”點，然后運用劃針插入與之緊密配合的小孔，劃針尖端剛好對準(zhǔn)“樣沖”點，再通過調(diào)平螺栓、萬向水準(zhǔn)泡調(diào)平基座。重復(fù)操作，直至基座在水平狀態(tài)下，φ1.5mm的小孔中心與“樣沖”點保持在同一鉛垂線上。最后小心地放置反射球于基座本體上(反射球棱鏡窗口對準(zhǔn)激光光束)，再次核查基座的水平狀態(tài)。至此，可以便捷地運用激光跟蹤儀進行基準(zhǔn)點的檢測工作。

3 檢測效果

筆者運用激光跟蹤儀及基準(zhǔn)點測量工裝基座在設(shè)備安裝現(xiàn)場對已標(biāo)定的永久基準(zhǔn)點進行了檢測。在熟練程度下對4個永久基準(zhǔn)點進行了檢測，并通過激光跟蹤儀配套的專用軟件進行了每2個基準(zhǔn)點所構(gòu)成縱、橫向基準(zhǔn)線的正交精度的評價，總耗時不到20分鐘。雖然與傳統(tǒng)檢測方式如經(jīng)緯儀檢測相比，在檢測基準(zhǔn)線的正交精度方面所耗時間要長，但是，激光跟蹤儀是通過檢測到永久基準(zhǔn)點在水平面內(nèi)的X、Y坐標(biāo)值，來對基準(zhǔn)點所構(gòu)成的基準(zhǔn)線進行相互關(guān)系的評價，而且這些基準(zhǔn)點的坐標(biāo)值，還可以通過專業(yè)軟件計算出各個基準(zhǔn)點在水平面內(nèi)的相互位置關(guān)系，這是運用傳統(tǒng)檢測方式所無法實現(xiàn)的。

為了檢測基座上φ1.5mm的小孔中心與“樣沖”點不在同一鉛垂線上的誤差，筆者總共對這4個基準(zhǔn)點進行了3次循環(huán)測量，每個基準(zhǔn)點所測得3次測量值之間的最大誤差均在0.3mm以內(nèi)，其測量數(shù)據(jù)見表1，這說明該測量工裝基座的設(shè)計與制造基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)下能夠滿足工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場安裝精度的檢測要求。

表1 4個基準(zhǔn)點的3次循環(huán)測量值

4 結(jié)束語

在高精度工業(yè)設(shè)備安裝過程中,必須首先建立標(biāo)準(zhǔn)永久基準(zhǔn)點,一般情況是通過"樣沖"點來保存,由於永久基準(zhǔn)點是其它輔助基準(zhǔn)坐標(biāo)網(wǎng)的中心坐標(biāo)基準(zhǔn)點,所以如何保證該基準(zhǔn)點位置的可靠、穩(wěn)定非常重要。在此之前對永久基準(zhǔn)點的精度測量采用經(jīng)緯儀和全站儀等光學(xué)儀器,這不僅工作量大而且精度難以保證。

我們選用最新的激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)永久基準(zhǔn)點進行測量,並設(shè)計了測量專用夾具,既保證了測量精度又提高了工作效率,經(jīng)實測證明該方法與以往測量方法相比有一定的創(chuàng)新,在同行中有較大的推廣應(yīng)用前景。

[1] 余海敏. 淺議工業(yè)設(shè)備安裝測量的方法. 中國建設(shè)信息，2012(15)

[2] 謝旭陽. 工業(yè)設(shè)備安裝中高精度測量方法. 建筑工人，2010(03)

[3] 王彥喜，閔俊，劉剛. 激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2010(19)

[4] 仝志民，等. 基于激光跟蹤儀和坐標(biāo)測量臂的工業(yè)測量系統(tǒng). 計量技術(shù)，2008(5)

[5] 楊文彬. 激光跟蹤儀與電子經(jīng)緯儀在大尺寸工件測量中的比較. 鍋爐制造，2008(06)

[6] 于成浩，柯明，趙振堂. 提高激光跟蹤儀測量精度的措施. 測繪科學(xué)，2007(02)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.11