激光跟蹤儀在重型裝備在線測量中的應(yīng)用

余 蘇 運(yùn)金芬 張 進(jìn) 鄒旭東

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

激光跟蹤儀是一種便攜式大長度三維測量設(shè)備，通過靶球(SMR)反射跟蹤儀發(fā)射的激光束，測量任意空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在精密制造、裝配及檢測等工業(yè)測量領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀外，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，包括激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂、激光掃描儀等，對于大尺寸測量，激光跟蹤儀具有范圍廣、精度高、實(shí)時快速等優(yōu)點(diǎn)。

我公司研制的60萬t熱解反應(yīng)爐內(nèi)爐體，其中需要對9節(jié)爐體進(jìn)行在線測量指導(dǎo)機(jī)床調(diào)試加工、在線測量指導(dǎo)爐體裝配。為此，采用激光跟蹤測量技術(shù)進(jìn)行了爐體分段筒體的機(jī)床在線測量。

1 技術(shù)方法

1.1 全局基準(zhǔn)坐標(biāo)系控制

重型裝備組件在進(jìn)行加工與裝配中，全局基準(zhǔn)坐標(biāo)系控制是大長度高精度在線測量中的關(guān)鍵點(diǎn)。在大型組件外部利用跟蹤儀測量這些全局控制點(diǎn)，得到全局坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。由于受大型工件等遮擋因素，使得跟蹤儀無法在一個站點(diǎn)可視所有控制點(diǎn)。測量整個工件表面的控制點(diǎn)需要多次儀器轉(zhuǎn)站，測量基準(zhǔn)反復(fù)變換。多站位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致測量誤差累積。利用分站式組合測量網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建大長度空間統(tǒng)一基準(zhǔn)制造、測量模式，控制工件表面定位精度。即所有站位構(gòu)造封閉的全局控制網(wǎng)。多站同時配準(zhǔn)方法利用矩陣加權(quán)線性最小方差最優(yōu)數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則，融合各站點(diǎn)的控制點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，提高控制點(diǎn)測量精度。根據(jù)每個測站的協(xié)方差矩陣確定其權(quán)重矩陣，以融合點(diǎn)為全局坐標(biāo)系基準(zhǔn)。解決測量基準(zhǔn)變換，造成測量誤差累積與放大難題，同時解決單一測量設(shè)備有效測量范圍小，測量精度低、測量效率低和測量不便等問題，提高測量和定位控制精度。

在為某科研院所研制的6 m鋁球在線測量精度控制過程中，由于工件體積大，受制于激光跟蹤儀一個站位下無法進(jìn)行全局基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立，通過在6 m鋁球外表面布設(shè)如圖1所示的監(jiān)測點(diǎn)，作為鋁球加工過程中全局基準(zhǔn)坐標(biāo)系建立的控制點(diǎn)。通過采用全局監(jiān)測點(diǎn)布網(wǎng)與測點(diǎn)平差技術(shù)，使激光跟蹤儀在測量鋁球任意位置時的布站都可以將局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到精度受控的全局坐標(biāo)系。利用該項(xiàng)技術(shù)，通過采用單臺激光跟蹤儀完成了6 m鋁球的在線加工制造精度控制與檢測。

圖1 6 m鋁球監(jiān)測點(diǎn)布局示意圖Figure 1 Monitoring points arrangement of a 6 m aluminium ball

1.2 控制測量范圍對精度影響

大尺寸長度測量精度往往取決于儀器精度、環(huán)境因素以及測量方法，由于受儀器精度、環(huán)境因素不可避免的影響，通過研究測量原理技術(shù)，突破跟蹤儀主要精度誤差——角度誤差所帶來的影響，以期優(yōu)化跟蹤儀對大長度、高精度工件的測量精度。激光跟蹤儀的測距精度高，測角精度相對較低。范圍越大，角度越大，測角精度低會直接影響點(diǎn)位精度，尋找一種直接對目標(biāo)點(diǎn)測量權(quán)重于距離測量的方法，或者通過制作工裝減小激光跟蹤儀角度誤差所帶來的影響，均可以大幅度提高目標(biāo)點(diǎn)測量精度。

1.2.1 多臺跟蹤儀組網(wǎng)測量技術(shù)

激光跟蹤儀的測距精度較好，測角精度較低，如API T3激光跟蹤儀的距離精度為1 μm、角度精度在0.07″。測角精度較低會直接影響點(diǎn)位(特別是大尺寸空間中的點(diǎn)位)精度，因此考慮采用激光跟蹤儀來建立測量距離解算測點(diǎn)坐標(biāo)值的測量網(wǎng)。從理論上規(guī)避跟蹤儀測角精度對大尺寸測量的影響。

該測量技術(shù)基本原理為利用三臺或三臺以上跟蹤儀測量空間定向點(diǎn)的距離值，采用加權(quán)秩虧自由網(wǎng)平差模型，基于重心基準(zhǔn)，進(jìn)行系統(tǒng)定向解算，解算得到激光跟蹤儀測站中心的三維坐標(biāo)值(X0i，Y0i，Z0i)，然后多臺跟蹤儀同時測量儀器中心到空間目標(biāo)點(diǎn)j的角度值和距離值(Hzij，Vij，Sij)，利用角度距離的邊角前方交會原理，計(jì)算空間目標(biāo)點(diǎn)j的坐標(biāo)值(Xj，Yj，Zj)。

1.2.2 多功能測量儀器云臺研制

實(shí)際測量中，如8萬t C型板、60萬t粉煤熱解反應(yīng)爐等測量偏擺角度大、線性長度尺寸精度要求高的大尺寸工件，可采用制作儀器測量云臺工裝的方式，避免角度誤差受長度影響而放大。如圖2所示為我公司自行研制的測量儀器多功能云臺，獲得了專利技術(shù)。通過云臺的4個自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)整，減小測量大尺寸受激光跟蹤儀碼盤角度誤差的影響，從而保證測量精度滿足測量要求。

圖2 測量儀器多功能云臺Figure 2 Multi-function holder of measure gauge

1.3 實(shí)際測量點(diǎn)與工藝點(diǎn)的最佳擬合控制

重型裝備在線原位制造過程中，利用激光跟蹤儀在線完成指導(dǎo)加工測量，找出名義尺寸與實(shí)際尺寸的差值，輸入機(jī)床用這一誤差值修正機(jī)床的調(diào)整與進(jìn)給量，再行加工直至滿足設(shè)計(jì)要求。大型組件在現(xiàn)場進(jìn)行裝配中，根據(jù)實(shí)際測量點(diǎn)與工藝?yán)碚擖c(diǎn)最佳擬合，建立大型組件總體的安裝基準(zhǔn)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下用跟蹤儀來指導(dǎo)部件的工藝點(diǎn)達(dá)到指定位置，從而保證每個部件的安裝精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 工藝點(diǎn)最佳擬合精度控制Figure 3 Optimum fitting precision control of process point

運(yùn)用工藝點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)最佳擬合測量技術(shù)，能夠在異形部件拼裝過程中進(jìn)行良好的精度控制與檢測。如圖3所示，在單個部件組裝前設(shè)置工藝點(diǎn)，并通過工藝賦值或?qū)嶋H測量，確定工藝點(diǎn)的坐標(biāo)值(x，y，z)。部件進(jìn)入整體裝配中，由于受基準(zhǔn)面或異形結(jié)構(gòu)的影響，精確地將部件調(diào)整于全局坐標(biāo)系下較為困難。采用激光跟蹤儀測量技術(shù)，測量工藝點(diǎn)的實(shí)際測量值，采用全局坐標(biāo)系修正實(shí)際測量值與理論工藝點(diǎn)的差值。運(yùn)用最佳擬合測量技術(shù)對組裝部件的工藝點(diǎn)進(jìn)行有效匹配，對部件進(jìn)行不斷調(diào)整，直至部件工藝點(diǎn)滿足全局坐標(biāo)系的要求。

2 重點(diǎn)項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用

2.1 粉煤熱解反應(yīng)爐內(nèi)爐體拼接測量

60萬t反應(yīng)爐是超大型回轉(zhuǎn)工件，長度達(dá)到約60 m、直徑達(dá)到5 m。主要技術(shù)指標(biāo)同軸度優(yōu)于3 mm，進(jìn)料和出料端與軸線垂直度優(yōu)于2 mm，制造與安裝要求高。根據(jù)加工和安裝過程工藝控制要求，需要在單節(jié)筒體成形后、三段運(yùn)輸段拼焊過程中、內(nèi)爐體預(yù)拼過程中、現(xiàn)場內(nèi)外爐體安裝過程以及交檢過程等5個重要環(huán)節(jié)均采用精密檢測大尺寸測量，獲取相關(guān)尺寸、形位公差，用于指導(dǎo)鉚焊工序的拼裝精度控制與檢測，機(jī)加工序的找正調(diào)節(jié)精度控制與檢測以及最終的交檢。

運(yùn)用大型組件測量技術(shù)成果，為反應(yīng)爐的單節(jié)筒體機(jī)床在線輔助加工測量、單節(jié)筒體中心基準(zhǔn)體系建立、筒體拼焊精度控制與檢測、全長爐體預(yù)拼精度控制與檢測等4個制造流程均提供了測量技術(shù)，滿足了測量需求。單節(jié)筒體機(jī)床在線加工，受制于筒體薄壁件易變形等特點(diǎn)，通過激光跟蹤儀工藝控制點(diǎn)最佳擬合技術(shù)，獲取筒體基準(zhǔn)與機(jī)床加工基準(zhǔn)的匹配，保證了機(jī)床加工精度，滿足工藝要求。筒體基準(zhǔn)體系建立、筒體拼焊精度控制、爐體預(yù)拼等流程，均提出了苛刻的測量要求，通過運(yùn)用全局布點(diǎn)、多功能云臺以及最佳擬合技術(shù)，保證了各個流程的測量要求。

2.2 核電主管道制造精度控制

CAP1400主管道外形是不規(guī)則的自由曲面。以某段為例，直徑約?750 mm，總長約5800 mm，彎曲處的曲率直徑約3200 mm。因此制造工藝復(fù)雜，需要冷彎成形、精加工等工藝，同樣需要測量技術(shù)支撐。在采用冷彎工藝實(shí)現(xiàn)主管道彎曲成形等工藝中，其熱段部分管道彎制角度約52°，彎制過程中，由于兩整體管嘴對金屬流動的阻礙，管道各部位分別受拉伸和擠壓，管道的內(nèi)、外壁都發(fā)生了不規(guī)則的彎曲變化，且彎曲段壁厚不均勻，會導(dǎo)致彎制成形后的主管道內(nèi)外壁變形、厚度不均、內(nèi)外表面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，形成一個不規(guī)則的自由曲面。因此，對測量技術(shù)提出了嚴(yán)格要求，必須準(zhǔn)確地得到管道的外部輪廓形狀，以便后續(xù)加工流程完成大型空間異形曲面體的逆向制造工程。

運(yùn)用多控制點(diǎn)的大長度空間基準(zhǔn)體系建立技術(shù)，構(gòu)建主管道測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系，解決受主管道制造基本成形理念所帶來的相互關(guān)聯(lián)尺寸無法完全符合圖紙的問題。通過統(tǒng)一多次測量的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，保證成形工藝流程、固溶工藝流程、劃線工藝流程、機(jī)加以及最終交檢的工藝流程下基準(zhǔn)體系復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，為主管道全流程加工基準(zhǔn)的唯一性提供了重要的測量技術(shù)支撐。

3 結(jié)論

運(yùn)用激光跟蹤儀測量技術(shù)進(jìn)行重型裝備在線原位測量，測量精度提高，解決了一直以來困擾的大長度測量技術(shù)難題。由于這種大尺寸測量技術(shù)的加入，并不只是將原有的技術(shù)進(jìn)行升級，而是一場測量技術(shù)與測量理念的更新?lián)Q代，大幅提高了生產(chǎn)效率，對于復(fù)雜以及龐大的重型技術(shù)裝備在線制造與安裝過程中的幾何量測量提供了解決思路。