數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在核島環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)獲取及分析中的應(yīng)用

張亞軍，曹 君，許志強(qiáng)，王寶迪，任建磊，孫鑫鵬

（中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300）

目前國(guó)內(nèi)核島環(huán)吊軌道安裝施工已形成一套成熟的環(huán)梁環(huán)軌整體吊裝與安裝工藝，主要包括環(huán)吊軌道梁地面組裝、核島土建鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件（以下簡(jiǎn)稱“牛腿”）標(biāo)高測(cè)量、環(huán)吊軌道梁墊塊一次加工、牛腿放線及鉆孔、環(huán)梁環(huán)軌整體吊裝就位在牛腿上、環(huán)吊軌道一次調(diào)整、環(huán)吊軌道梁墊塊二次加工與回裝、環(huán)吊軌道二次調(diào)整（最終）[1]。由于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，墊塊需要二次加工及回裝，導(dǎo)致環(huán)吊軌道需要二次調(diào)整，且墊塊回裝時(shí)需要將環(huán)吊軌道梁整體向上頂升，不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力，且施工工期變長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。與此同時(shí)隨著核電建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型逐步推進(jìn)，先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于核島主回路設(shè)備安裝，并取得良好效果，其高精度數(shù)據(jù)獲取及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力大幅度提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和測(cè)量效率。

基于以上分析，本文提出將數(shù)字化測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)獲取及分析應(yīng)用中，能夠獲取墊塊一次性加工數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化核島環(huán)吊環(huán)梁環(huán)軌整體吊裝與安裝工藝施工邏輯、縮短施工工期、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提質(zhì)增效。

1 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)介紹

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是利用數(shù)字化的測(cè)量設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制完成對(duì)被測(cè)對(duì)象自動(dòng)、快速、精密的測(cè)量，并采用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程數(shù)字量傳遞[2]。目前核電建設(shè)階段已成熟應(yīng)用的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)包括激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù)、高精度全站儀測(cè)量技術(shù)等，特別是激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)和高精度全站儀測(cè)量技術(shù)在大尺寸工件或設(shè)備高精度安裝調(diào)整、空間尺寸檢測(cè)及空間模型建立方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1.1 激光跟蹤儀工作原理

激光跟蹤儀是一種高精度的坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，如圖1所示。它結(jié)合激光干涉儀和先進(jìn)的伺服控制技術(shù)來(lái)測(cè)量目標(biāo)與跟蹤儀的相對(duì)位置，基于位置探測(cè)器的目標(biāo)跟蹤技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤和空間位置的精確定位，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)站靈活等特點(diǎn)，能夠滿足大型設(shè)備安裝與制造過(guò)程中高精度檢測(cè)要求。激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀、控制箱、反射器（靶鏡）、用戶計(jì)算機(jī)及測(cè)量附件（氣象傳感器）等組成[3]。

圖1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀工作時(shí)通過(guò)單頻激光干涉測(cè)距和高精度的光柵編碼度盤（水平和垂直度盤）測(cè)角，配合反射靶球進(jìn)行接觸式測(cè)量，并采用空間極坐標(biāo)測(cè)量原理計(jì)算待測(cè)點(diǎn)空間三維坐標(biāo)。激光跟蹤儀在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)采用的是站心坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系以激光跟蹤儀的跟蹤頭中心為原點(diǎn)，以水平度盤零刻度方向?yàn)閄軸，水平度盤法線方向?yàn)閆軸，以右手法則定義Y軸。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠同時(shí)獲取目標(biāo)點(diǎn)距跟蹤頭的距離D、水平角Hz和豎直角V，根據(jù)式（1）自動(dòng)計(jì)算出該目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）。

1.2 全站儀工作原理

全站儀，又稱為全站型電子測(cè)距儀，是一種集光、機(jī)、電為一體的高精度高技術(shù)測(cè)量?jī)x器，是由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[4]，如圖2 所示。

圖2 全站儀

2 環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)獲取分析及方法設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)的獲取分析

環(huán)吊軌道梁墊塊位于環(huán)吊軌道梁與牛腿之間，主要通過(guò)精確獲取其加工值完成加工后，用于環(huán)吊軌道標(biāo)高的調(diào)整，如圖3 所示。通過(guò)精確獲取環(huán)吊軌道上表面至環(huán)吊軌道梁下表面各點(diǎn)位的厚度值和環(huán)吊牛腿上表面各點(diǎn)位實(shí)際標(biāo)高值，結(jié)合環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高設(shè)計(jì)值與每個(gè)墊塊出廠厚度值，即可計(jì)算加工值。且環(huán)吊牛腿上表面實(shí)際標(biāo)高值和每個(gè)墊塊出廠厚度值分別采用精密水準(zhǔn)測(cè)量和游標(biāo)卡尺等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，可快速精確獲取，因此利用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)精確獲取吊軌道上表面至環(huán)吊軌道梁下表面各點(diǎn)位的厚度值是環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵。

圖3 環(huán)吊軌道就位在環(huán)吊牛腿上的剖面圖

2.2 環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加數(shù)據(jù)獲取方法設(shè)計(jì)

2.2.1 環(huán)吊軌道梁地面組裝測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)軌與環(huán)梁通常焊接成整體供貨，通過(guò)在拼裝場(chǎng)地確定環(huán)吊軌道調(diào)整中心點(diǎn)，并根據(jù)環(huán)吊軌道半徑安裝環(huán)軌梁地面組裝工裝并調(diào)整其水平度。利用定位銷調(diào)整相連接的環(huán)梁對(duì)接面，且用臨時(shí)螺栓對(duì)結(jié)合面進(jìn)行緊固，使其結(jié)合面之間的間隙最小，同時(shí)根據(jù)環(huán)軌梁上出廠的拆車編號(hào)對(duì)環(huán)軌梁進(jìn)行標(biāo)識(shí)，完成環(huán)吊軌道梁地面初步組裝。

將全站儀架設(shè)于環(huán)吊軌道梁近似圓心的位置上，并選取近似垂直的4 個(gè)牛腿標(biāo)識(shí)上的軌道中心點(diǎn)，以此4 點(diǎn)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)環(huán)軌梁及環(huán)軌圓心點(diǎn)的準(zhǔn)確度，并對(duì)圓心點(diǎn)位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

待圓心點(diǎn)位置調(diào)整好后，以對(duì)應(yīng)1 號(hào)牛腿標(biāo)識(shí)處螺栓群孔的實(shí)際中心線定義為方向基準(zhǔn)，按照牛腿間理論夾角及環(huán)軌理論半徑值放出軌道中心點(diǎn)，并根據(jù)環(huán)吊軌道水平度、半徑、圓度進(jìn)行測(cè)量及調(diào)整，直到滿足設(shè)計(jì)要求，完成環(huán)吊軌道梁地面組裝測(cè)量。

2.2.2 環(huán)吊軌道梁下表面螺栓孔理論中心線及半徑參考點(diǎn)測(cè)量

待環(huán)吊軌道梁地面組裝測(cè)量完成，分別以環(huán)吊軌道梁中心和對(duì)應(yīng)1 號(hào)牛腿標(biāo)識(shí)處螺栓群孔的實(shí)際中心線定義為方向基準(zhǔn)，放出每個(gè)牛腿對(duì)應(yīng)的環(huán)軌梁的下表面理論中心線及環(huán)軌半徑線。

根據(jù)測(cè)設(shè)的環(huán)吊軌道梁螺栓群孔的理論中心線和軌道半徑參考點(diǎn)，在環(huán)吊軌道梁下表面標(biāo)識(shí)出墊塊加工所需數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)，并制作牛腿對(duì)應(yīng)點(diǎn)位模具，確保牛腿上表面標(biāo)高采集點(diǎn)位與環(huán)吊軌道梁下表面采集的測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)位一致，同時(shí)在環(huán)吊軌道上表面標(biāo)識(shí)出墊塊加工所需數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)。

將激光跟蹤儀架設(shè)至環(huán)吊軌道梁大致中心位置并進(jìn)行水平調(diào)整，采集環(huán)吊軌道上表面及環(huán)吊軌道梁下表面標(biāo)識(shí)出的墊塊所需加工測(cè)量點(diǎn)位數(shù)據(jù)。

2.2.3 牛腿上表面螺栓孔理論中心線及半徑參考點(diǎn)測(cè)量

在牛腿上表面測(cè)設(shè)出牛腿中心線和軌道半徑參考點(diǎn)，利用制作的牛腿對(duì)應(yīng)點(diǎn)位模具，在每個(gè)牛腿上表面標(biāo)識(shí)出和軌道梁一一對(duì)應(yīng)的標(biāo)高測(cè)量點(diǎn)位。

2.2.4 牛腿上表面標(biāo)高測(cè)量

利用精密水準(zhǔn)儀對(duì)牛腿上表面標(biāo)識(shí)的測(cè)量點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)高數(shù)據(jù)采集，并取其平均值。

3 環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)處理

以環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高點(diǎn)組擬合環(huán)吊軌道圓，分別以圓心為原點(diǎn)和指向?qū)?yīng)1 號(hào)牛腿環(huán)吊軌道上表面點(diǎn)為X軸，建立環(huán)吊軌道梁地面組裝坐標(biāo)系，并根據(jù)環(huán)吊軌道梁體主要材質(zhì)及環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提取環(huán)吊軌道上表面各點(diǎn)至對(duì)應(yīng)環(huán)吊軌道梁下表面各點(diǎn)的厚度值，如圖4 所示。

圖4 環(huán)吊軌道與環(huán)吊軌道梁間厚度值數(shù)據(jù)處理示意圖

根據(jù)環(huán)吊軌道上表面設(shè)計(jì)值、環(huán)吊牛腿上表面標(biāo)高測(cè)量值及環(huán)吊軌道上表面各點(diǎn)至對(duì)應(yīng)環(huán)吊軌道梁下表面各點(diǎn)厚度值，結(jié)合每個(gè)墊塊出廠厚度值，即可計(jì)算出環(huán)吊軌道梁墊塊加工值。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程概況與測(cè)量方法

國(guó)內(nèi)某核電機(jī)項(xiàng)目反應(yīng)堆廠房環(huán)吊安裝測(cè)量控制網(wǎng)已建立，現(xiàn)需要獲取環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工測(cè)量數(shù)據(jù)，并在墊塊一次加工完成回裝后，對(duì)就位在牛腿的環(huán)吊軌道進(jìn)行檢查。環(huán)吊軌道安裝技術(shù)要求如表1 所示。

根據(jù)表1，采用高精度全站儀測(cè)量技術(shù)完成環(huán)吊環(huán)軌及環(huán)梁地面組裝，并在環(huán)吊軌道梁下表面測(cè)設(shè)出墊塊厚度加工數(shù)據(jù)采集的測(cè)量點(diǎn)位的參考線，根據(jù)參考線確定測(cè)量點(diǎn)位。在拼裝場(chǎng)地，利用激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)采集環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高及對(duì)應(yīng)的環(huán)吊軌道梁下表面墊塊厚度加工數(shù)據(jù)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)示意圖

另在反應(yīng)堆廠房，利用高精度全站儀測(cè)量技術(shù)在牛腿上表面放出墊塊加工數(shù)據(jù)采集的測(cè)量點(diǎn)位參考線，并根據(jù)參考線確定測(cè)量點(diǎn)位，測(cè)量點(diǎn)號(hào)與環(huán)吊軌道梁下表面測(cè)量點(diǎn)位保持一致。利用精密水準(zhǔn)儀獲取牛腿上表面墊塊加工測(cè)量點(diǎn)位的各標(biāo)高數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 牛腿上表面墊塊加工測(cè)量點(diǎn)標(biāo)高測(cè)量示意圖

按照環(huán)吊軌道與環(huán)吊軌道梁間厚度值數(shù)據(jù)處理的方法，利用Spatial Analyzer 軟件對(duì)激光跟蹤儀測(cè)量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到與每個(gè)牛腿對(duì)應(yīng)的環(huán)吊軌道上表面至環(huán)吊軌道梁下表面的厚度值，再結(jié)合環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高設(shè)計(jì)值。

4.2 測(cè)量結(jié)果

采用本方法獲取了國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工數(shù)據(jù)，并按照該數(shù)據(jù)進(jìn)行墊塊加工回裝后，對(duì)環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 （續(xù)）

表2 環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高及直徑方向上對(duì)應(yīng)2 點(diǎn)標(biāo)高測(cè)量結(jié)果

由表2 可知，環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高最大值為39.878 2 m，最小值為39.876 2 m，滿足環(huán)吊軌道上表面標(biāo)高（39 875±5）mm 的要求；環(huán)吊軌道直徑方向上對(duì)應(yīng)2 點(diǎn)偏差值分別為0.4 mm 和0.5 mm，滿足環(huán)吊軌道直徑方向上對(duì)應(yīng)2 點(diǎn)最大高低允許偏差小于10 mm 的要求。

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在核島環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工測(cè)量數(shù)據(jù)獲取及分析的應(yīng)用，進(jìn)一步優(yōu)化國(guó)內(nèi)核島環(huán)梁環(huán)軌整體吊裝與安裝工藝，有效縮短2/3 的工期、避免環(huán)軌梁整體頂升安全風(fēng)險(xiǎn)，充分展現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在核電建造數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能力。此外針對(duì)本文中環(huán)吊軌道梁墊塊一次性加工關(guān)鍵性數(shù)據(jù)獲取，可進(jìn)一步研究利用激光三維測(cè)量技術(shù)在環(huán)軌環(huán)梁到貨時(shí)獲取環(huán)軌環(huán)梁三維模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將墊塊加工數(shù)據(jù)的獲取優(yōu)化到地面預(yù)組裝前，進(jìn)一步縮短工期。