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(1.上海大學 機電工程與自動化學院CIMS &機器人中心,上海 200072；2.歌美颯風電(天津)有限公司,天津 300384)

1 激光跟蹤測量系統(tǒng)介紹

激光跟蹤測量系統(tǒng)具有測量精度高、測量距離大、便于攜帶等優(yōu)點[1]，在航空航天、汽車制造、船舶、極端制造、精密加工等行業(yè)中得到了廣泛的應用。如何在復雜加工、裝配及環(huán)境影響等條件下準確構建起數(shù)字測量坐標體系并保證其精度，是一個值得探討的問題。以大型船舶(制造及裝配工程周期長，現(xiàn)場條件復雜多變，關鍵部件精度要求高)的制造裝配過程為例，介紹利用激光跟蹤測量系統(tǒng)保證其精度的關鍵坐標系的建立。

1.1 系統(tǒng)組成及特性

Leica公司的LTD840激光跟蹤儀硬件部分由跟蹤儀本體、激光跟蹤頭、反射器和跟蹤控制器組成。跟蹤頭內部有一套激光干涉儀、兩套角度編碼器、電機以及光電接收器等；軟件部分是Leica公司開發(fā)的激光跟蹤儀專用軟件Metrolog XG for Leica[2]。

1.2 激光跟蹤測量原理

激光跟蹤是指應用激光干涉儀、精密角度解碼器和光束導向伺服跟蹤機構來完成動態(tài)三維坐標測量[3]，對空間目標點的坐標測量[4]是通過測量出水平角、垂直角和斜距，然后按球坐標原理得到空間點的三維坐標。如圖1所示，在球坐標測量系統(tǒng)中，設跟蹤器的旋轉中心為O點，被測靶標的中心為P點。用兩個角度編碼器分別測量出P點的垂直角β和水平角α，用激光干涉儀測量O點到P點的距離d，則P點坐標(x，y，z)由β、α和d計算得出。

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圖1 激光跟蹤測量原理

通過空間齊次坐標變換，將P點的坐標轉換到用戶自定義的坐標系中。 而用戶自定義的坐標系的建立是本文討論的重點。

2 數(shù)字測量坐標體系構建方法

在數(shù)字測量中，所有的被測特征的定義、測量過程的控制都是在一定的坐標系下進行的，常用的坐標系一般為直角坐標系，有時也會用圓柱坐標和球坐標體系等。下面是幾種常用的測量坐標系的建立方法。

2.1 數(shù)字測量坐標體系構建的一般方法

2.1.1 3-2-1測量坐標系的構建

測量坐標系的建立，最常用的就是3-2-1法，其建立過程見圖2。通過A面上的3點、B面(線)上的2點(投影到面上)和C面上的1點來完成測量坐標系的虛擬數(shù)字定位。

圖2 3-2-1測量坐標系構建過程

2.1.2 一面二銷測量坐標系的構建

一面二銷是機械定位中最常見的一種方式，其數(shù)字測量坐標系的構建方法見圖3。

圖3 一面二銷坐標系構建過程

2.1.3 空間最佳擬合構建測量坐標系

在一些工件檢測檢具上，為了方便測量坐標系的建立，常常會使用一些點或球作為基準體系的構建基礎，見圖4。

圖4 空間最佳擬合坐標系構建過程

這種方法要求測量至少3點以上的數(shù)據(jù)，多于3點可以提高坐標系建立的精度，也是對基準點的備用。根據(jù)經驗，為整體反映工件情況，同時保證坐標系的精度，測量的基準點應約為6個。還應考慮到基準點的分布位置要均勻，保證基準點不變形。

2.1.4 空間迭代構建測量坐標系

在夾具或檢具定位中，還有一種經常使用的方法——六點定位，即通過空間的六點將工件在空間虛擬定位。這種基準在測量坐標系的構建時常會使用到迭代法。迭代法就是首先在工件上尋找一些較容易控制精度的幾何特征來確定初基準坐標系，在初基準坐標系下測量基準幾何特征，這樣測出的結果可能不準，因此一般通過測出的幾何特征構建新基準坐標系然后再次重測并重新確定基準坐標系來提高所確定基準坐標系的精度。經過數(shù)次迭代后，通過對基準點的再次測量來確定所建基準坐標系的精度。假設有基準面A、B、C，采用空間迭代法構建測量坐標系的過程見圖5。

圖5 空間迭代坐標系構建過程

2.2 構建過程中應該注意的問題

1) 關注被測工件對測量精度的影響。圖樣上理論標注的內容與實際的被測工件很難做到完全相同，測量要以最后的裝配為根本，選取測量的基準。尤其是要避免用短小基準來測量及評定大尺寸，這樣會導致短小基準的測量誤差直接影響后續(xù)測量與評定結果數(shù)據(jù)的復現(xiàn)性。

2) 注意構建坐標系的幾何特征的準確性。所有用來建立測量坐標系的幾何特征都應該有幾何公差方面的要求，如果圖樣中沒有明確標示這些幾何公差，則應在具體測量時增設附加的測量，以便對所建基準體系的精度做到心中有數(shù)，同時要注意幾何特征表面的清潔及去毛刺等。

3) 盡量減小影響測量精度的不確定度因素。工業(yè)現(xiàn)場，影響測量不確定度的因素主要有：環(huán)境因素，包括溫度變化、噪聲、振動等；人為因素，包括測量工藝、多工種同時工作的協(xié)調等。這些因素都會對測量的結果構成一定的影響，在測量前及測量過程中應盡可能控制這些因素。

4) 構建的測量坐標體系應自檢。測量基準要素時可能會因各種原因產生誤差，為保證坐標系的正確性，坐標系建立后需自檢。一般測量用坐標原點、坐標軸方向上的特征點等來驗證。

3 機艙裝配定位測量坐標體系構建

本文研究對象為大型海上遠洋鉆井船。與普通商用船舶不同的是，此類船實際上相當于一個海上移動式的石油鉆井平臺。因此，在其鉆井作業(yè)過程中，船舶對于穩(wěn)定性、可靠性要求特別高。主要通過位于船艏的3個動力設備來保證高穩(wěn)定性及可靠性。因此，對于船艏動力部件的加工及裝配精度要求很高。

3.1 結構簡介

動力設備主要由發(fā)動機主體與機艙兩部分組成(見圖6)，兩者分開制造，具有較高的裝配要求。

圖6 發(fā)動機主體及機艙鎖眼板、鎖眼、導軌

運行過程中發(fā)動機主體可以在機艙內上下移動，其底部密封圈部位向上移動到上環(huán)位置可以實現(xiàn)淺海航行，向下移動到下環(huán)位置可以實現(xiàn)穩(wěn)定定位。發(fā)動機主體大致呈現(xiàn)為圓柱狀，在其圓柱形筒體四周均布三組裝配定位用的鎖眼(由船艏方向順時針依次設為0°、120°和240°)。

機艙壁由三部分焊接而成，分別為上、下環(huán)及頂部。其中上、下環(huán)對應發(fā)動機主體的底部密封圈的移動位置。在桶壁四周的0°、120°、240°方向(與發(fā)動機主體對應)分別焊接三組與發(fā)動機主體裝配用的上、下兩個導軌、兩塊鎖眼板(一個艙壁上需安裝6塊鎖眼板，6塊導軌)。限于裝配精度要求，鎖眼板上的鎖眼若提前加工好再裝上去，不能保證能完全定位準確；因此，須先安裝好鎖眼板，再對鎖眼進行加工，以確保每個筒中6個鎖眼的位置度得到精確保證，確保裝配成功。

3.2 測量坐標體系的構建

發(fā)動機主體部分由精密機床加工，其精度由機床精度本身保證。而與之配合的機艙壁是由上環(huán)、下環(huán)及頂部三部分焊接而成，其焊接精度無法得到保證，但卻對最終裝配至關重要。因此，選取發(fā)動機主體作為整個裝配體系的基準，再由此確定機艙的坐標系建立方法，最終構建起整個測量坐標體系，見圖7。

3.2.1 發(fā)動機主體部分坐標系的構建

將發(fā)動機主體的軸線作為后續(xù)鎖眼加工設備的旋轉中心，構建柱坐標系，將軸線直接納入到坐標體系當中，方便后續(xù)加工設備的安裝。測量有裝配要求的密封圈處筒壁及鎖眼所在圓弧面至少三層位置，構建圓柱模型，設定其中心軸線為Z軸。測量發(fā)動機船道方向的下鎖眼(0°)所在圓孔，投影到外端面得到鎖眼孔圓心，在測量軟件中作該圓心點與Z軸的垂直相交線，定垂線為X軸，交點為坐標原點建立坐標系。與一般建系過程不同的是，這里的投影方向即X軸是通過測量軟件計算而得到的，因為鎖眼孔實際孔深(500 mm)相對于整個發(fā)動機筒體(6 700 mm)來說是短小尺寸，用作基準影響后續(xù)的測量評定。最后建立的坐標系一定要進行自檢。

圖7 船舶動力部分坐標體系構建過程

3.2.2 機艙部分坐標系的構建

以發(fā)動機主體部分的坐標系為依據(jù)，建立機艙部分的坐標系，將兩部分坐標系統(tǒng)一，便于后續(xù)測量及裝配。根據(jù)裝配要求，測量機艙的下環(huán)部分與上環(huán)部分，構建圓柱模型，將其軸線設定為Z軸，借鑒空間迭代的思想將艙體均分為三部分(由船艏順時針依次為0°、120°、240°)，用鉛垂線做好標記，作為導軌及鎖眼板的安裝位置。船艏(0°)方向上，測量距船底775 mm的鎖眼點位置，同樣，由測量軟件求出該點與Z軸的垂直相交線，以垂線為X軸，交點作為坐標原點建立坐標系。

3.2.3 復雜條件下坐標體系的復現(xiàn)

由于船身尺寸大、現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，測量周期漫長，每次以這樣的方式建立坐標系很費時，影響工期，需要對建立的坐標系進行復現(xiàn)。采用傳統(tǒng)轉站無法實現(xiàn)長期間斷性測量，故而引用Bestfit建立坐標系的方法。在機艙壁上貼上足夠數(shù)量的靶標(基準點主要集中在需要安裝導軌的三個角度)作為基準點，記錄當前坐標系下每個基準點的理論數(shù)值，后續(xù)測量以此為根據(jù)，測量相應基準點的實測值。由Bestfit建立坐標系，既可保持坐標系的統(tǒng)一又能縮短建系時間。

3.3 機艙裝配結果

在此坐標系下通過機械調節(jié)裝置將導軌和鎖眼板分別安裝在機艙內的0°、120°和240°方向的上下兩部位。然后，對鎖眼板上的鎖眼孔進行精加工，精加工設備的坐標系應當與所建坐標系保持一致。加工完畢，對發(fā)動機主體及機艙內與之配合的部位進行測量得到其相應的精度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 發(fā)動機主體與機艙部位的最終測量結果

由表1可見，發(fā)動機主體部位與機艙內有配合要求的部位的角度及孔徑關系滿足裝配的要求。通過大型龍門吊車將發(fā)動機主體裝配到船艏的機艙內，裝配成功。

4 結論

針對船舶這類建造周期長、現(xiàn)場環(huán)境復雜的大型工件，采用數(shù)字測量方法來保證其裝配的準確，坐標系的構建是最關鍵的工作。在復雜環(huán)境條件下，坐標體系的構建要根據(jù)具體的實際情況，綜合考慮多種影響因素和要求，采用多種坐標系相結合的方式，構建起合理的坐標體系，才能保證測量結果的正確性。

[1] 張春富，張 軍，唐文彥，等.激光跟蹤儀在大尺寸工件幾何參數(shù)測量中的應用[J].工具技術.2002，36:26-28.

[2] 王 飛，李 明，邵 濤，等.提高空間大尺寸測量精度的方法研究及應用[J].機械制造，2009，(10)：47:71-74.

[3] 蔡聞峰，周惠群，何 穎.激光跟蹤儀在無人飛機總裝中的應用[J].工具技術，2006，(8):77-80.

[4] 王衛(wèi)軍，李曉星，方 程，等.激光跟蹤儀在風機葉片外形測量中的應用[J].制造技術研究，2009，(6)：26-29.