盧青 吳鍵 蔡聯(lián)河

【摘 要】隨著冶金工業(yè)的發(fā)展對工業(yè)機(jī)械設(shè)備的安裝精度的要求也越來越高，因此探索新的測量方法來滿足現(xiàn)場設(shè)備的安裝為公司注入新的創(chuàng)新力量成為一種趨勢。本文從機(jī)械設(shè)備安裝的角度出發(fā)，基于激光跟蹤儀的測量特點(diǎn)敘述了該儀器對基礎(chǔ)墊板安裝的預(yù)控能力、機(jī)械設(shè)備安裝控制網(wǎng)檢測和布設(shè)能力及能極大的提高設(shè)備的安裝精度和安裝速度的能力，闡述了激光跟蹤儀在軋機(jī)設(shè)備安裝中的實際應(yīng)用，可為今后類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】激光跟蹤儀 軋機(jī) 預(yù)控 檢測 安裝

1 引言

為滿足項目設(shè)備安裝順利進(jìn)行引進(jìn)了各種新型測量工具，激光跟蹤儀即是其中的一款高精度便攜式三坐標(biāo)測量設(shè)備，為大型設(shè)備的安裝提供了切實可行的安裝依據(jù)。此次運(yùn)用激光跟蹤儀完成軋機(jī)設(shè)備的安裝是與傳統(tǒng)安裝技術(shù)對比的一次技術(shù)上的“革命”。

2 激光跟蹤儀的測量技術(shù)

2.1 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀系統(tǒng)2個角編碼器自動測量靶標(biāo)相對于跟蹤儀的水平方位角和垂直方位角；靶標(biāo)與激光跟蹤儀之間的距離由激光干涉測量。這些信息經(jīng)傳感器電纜傳給激光跟蹤儀控制器，跟蹤儀控制機(jī)經(jīng)整理計算后，一部分信息經(jīng)馬達(dá)電纜反饋回激光跟蹤儀，控制伺服馬達(dá)，使激光跟蹤儀始終鎖定移動的靶標(biāo)；另一部分信息經(jīng)局域網(wǎng)傳輸給應(yīng)用處理機(jī)，儲存在數(shù)據(jù)庫中。跟蹤儀得到的測量數(shù)據(jù)定義了一個完整的球體坐標(biāo)系。原點(diǎn)是跟蹤部反射鏡中心，根據(jù)三角函數(shù)公式可以將球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。坐標(biāo)系原點(diǎn)仍在萬向反射鏡中心（如圖基本坐標(biāo)系），這個坐標(biāo)系稱作基坐標(biāo)系或者叫本地坐標(biāo)系，基坐標(biāo)系也是開始一個新工作的起始坐標(biāo)系。

2.2 激光跟蹤儀測量技術(shù)特點(diǎn)

激光跟蹤儀的水平轉(zhuǎn)角為640°，垂直轉(zhuǎn)角+80°～-60，能在-10℃至+40℃的溫度范圍內(nèi)工作，測量直徑可達(dá)120米，其測距精度，ADM分辨率為0.1μm，測量精度15μm（10米以內(nèi) ）、1.5μm（10米以外）。激光跟蹤儀從技術(shù)指標(biāo)上完全可以滿足軋機(jī)設(shè)備安裝中的需要。

3 激光跟蹤儀在軋機(jī)設(shè)備安裝中的應(yīng)用

3.1 儀器測量控制網(wǎng)的布設(shè)

對于激光跟蹤儀單次設(shè)站測量范圍是無法完成我們的測量需求，仍需要多次設(shè)站來完成整體測量，這就需要利用我們的儀器布設(shè)精密的三維控制網(wǎng)。對于儀器本身而言我們應(yīng)該注意到儀器的測角誤差遠(yuǎn)大于測距誤差，由于我們一般現(xiàn)場設(shè)備安裝空間比較狹長，因此測角誤差對儀器整體的誤差影響就顯得尤為重要，因此為保證設(shè)備安裝的精度需要建立任意姿態(tài)的高精度三維邊網(wǎng)平差模型。其方法模型如圖1所示，其中P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9點(diǎn)為我們測量控制網(wǎng)中的轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)點(diǎn)，在我們安裝的現(xiàn)場由于空間狹小我們以選擇了三個基準(zhǔn)點(diǎn)為一組，通過轉(zhuǎn)站中的誤差檢核可以滿足我們的測量需求，在我們布置儀器ST01、ST02、ST03時以通視為原則測量角度不易過大且測距上應(yīng)符合我們的測量規(guī)范。

圖1 軋機(jī)測量控制網(wǎng)布設(shè)

3.2 設(shè)備安裝控制網(wǎng)的檢測

對于機(jī)械設(shè)備安裝控制網(wǎng)是保證設(shè)備安裝精度的前提，因此對于基準(zhǔn)線和高程點(diǎn)的檢測也是我們設(shè)備安裝前的一個重要工序。激光跟蹤儀完全可以完成基準(zhǔn)控制和高程控制的檢測?；鶞?zhǔn)線和高程控制點(diǎn)的檢測如圖2所示，通過激光跟蹤儀測量控制網(wǎng)的合理布置，將我們的安裝控制網(wǎng)A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2、E1-E2、F1-F2、G1-G2、H1-H2、高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)在儀器配套SA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以通過數(shù)據(jù)得到安裝控制網(wǎng)的精確度。

圖2 設(shè)備安裝控制網(wǎng)

3.3 備安裝基礎(chǔ)預(yù)控處理

為保證底座安裝的精確度對于基礎(chǔ)的處理要保證設(shè)備二次灌漿與混凝土基礎(chǔ)頂面粘接牢固，確保今后設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，在底座安裝之前應(yīng)用風(fēng)鎬鏟除表面的砂漿層。還有一個比較重要的就是座漿墊板的施工，應(yīng)嚴(yán)格控制座漿程序座漿墊板的安裝中我們用激光跟蹤儀參與其中。對主要設(shè)備來說，高差公差及水平度應(yīng)符合我們的規(guī)范要求。在座漿墊板安裝完成通過安裝工序的進(jìn)行符合安裝底座時為方便底座調(diào)整，我們應(yīng)該利用儀器先將組合墊板的高度及水平調(diào)整到位以及將底座放置的位置在基礎(chǔ)上標(biāo)記出來。這樣可以減少我們后期設(shè)備調(diào)整時間上的浪費(fèi)。

3.4 軋機(jī)底座調(diào)整

對于軋機(jī)設(shè)備的調(diào)整我提出了首先要建立一個合適的坐標(biāo)系模型如圖3所示以儀器本身建立大地水平坐標(biāo)系，這也是我們測量的基坐標(biāo)系，其次我們?yōu)榉奖阍O(shè)備安裝的調(diào)整還應(yīng)以設(shè)備安裝基準(zhǔn)線為x軸大地水平面方向為z軸建立的橫向坐標(biāo)系和縱向坐標(biāo)系。在建立坐標(biāo)系的模型上是靈活的只要制定切實可行的方案來滿足我們的安裝要求即可。在對于標(biāo)高控制點(diǎn)上，使用激光跟蹤儀本身的電子水平儀建立大地水平面，并以此水平面為依據(jù)將采集的標(biāo)高點(diǎn)通過大地水平面的平移得到高程基準(zhǔn)面。

圖3 坐標(biāo)系模型 圖4 參考面

對于軋機(jī)底座的調(diào)整我們的調(diào)整原則是先平后正循序漸進(jìn)。調(diào)整過程如下：

（1）軋機(jī)底座的標(biāo)高調(diào)整。通過測量標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，采用SA軟件中最高點(diǎn)的命令其中包含了靶球及附件參數(shù)設(shè)置，然后通過建立的高程基準(zhǔn)面就可以與軋機(jī)底座設(shè)計標(biāo)高進(jìn)行對比，即可得到與軋機(jī)底座之間的標(biāo)高差H0。我們采集標(biāo)高點(diǎn)的方法分別在軋機(jī)的入口和出口底座安順序采集A1、A2、A3、A4。再以此通過SA軟件查詢命令中的多個點(diǎn)到對象，從而得出采集的4個標(biāo)高點(diǎn)與水平面之間的標(biāo)高差Hi，通過與H0的比照很明顯我們可以知道我們調(diào)整量的大小，在調(diào)整底座標(biāo)高時我們保證底座調(diào)整的高度要比設(shè)計標(biāo)高高0.10～0.30mm，因為考慮到后面的螺栓緊固和基礎(chǔ)沉降的影響，這種調(diào)整量的增加也是通過調(diào)整總結(jié)出來的經(jīng)驗。（2）軋機(jī)底座的水平度。我們調(diào)整底座水平度的原則是以畫十字線方式進(jìn)行，就是在軋機(jī)底座的一端通過穩(wěn)定點(diǎn)測量命令收集兩條十字線（如圖3），此時我們可以將數(shù)據(jù)全部都收集起來然后進(jìn)行多點(diǎn)到對象的數(shù)據(jù)查詢，得出來的數(shù)據(jù)結(jié)果可以清楚的告訴我們調(diào)整量的大小。但這種方法缺少實時性，我們可以打開實時觀察的測量命令，更能讓我們對測量結(jié)果進(jìn)行實時觀察并進(jìn)行調(diào)整。（3）軋機(jī)底座軋制中心線。通過我們建立的坐標(biāo)模型縱向坐標(biāo)系，可建立一個垂直于大地水平面的軋制中心面如圖4所示，然后在入口和出口底座的精整面（因為每臺設(shè)備的精整面不同我們以現(xiàn)場安裝為準(zhǔn)）上分別采集4個點(diǎn)，通過查詢中的多個點(diǎn)到對象的測量命令即可得到驅(qū)動側(cè)（操作側(cè)）軋機(jī)底座距離縱向中心線的偏移量，在調(diào)整的過程中需要我們重復(fù)去測量偏移量以滿足我們的規(guī)范要求，有必要時可以進(jìn)行實時觀測命令進(jìn)行測量。在求偏離量時由于我們在SA軟件中所建立的矢量面的方向問題導(dǎo)致我們靶球設(shè)置的偏移量問題有時候會干擾我們對數(shù)據(jù)的應(yīng)用，通過在現(xiàn)場的實驗我總結(jié)了以下兩點(diǎn)：矢量面的方向與矢量組方向一致時，靶球的偏移量為正；當(dāng)矢量面的方向與矢量組的方向相反時，靶球的偏移量為負(fù)。（4）軋機(jī)底座的橫向中心線。通過坐標(biāo)模型建立橫向中心面方法與圖4相同，然后分別按順序采集入口和出口底座精整面上的四點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)分析即可獲得進(jìn)、出口底座與橫向中心線的偏移量，進(jìn)而方便我們的調(diào)整。（5）軋機(jī)底座的平行度。在軋機(jī)中心線調(diào)整完，分別在軋機(jī)進(jìn)、出口底座傳動側(cè)和操作側(cè)掃描一個面P1、P2、P3、P4，每個面內(nèi)確定一個關(guān)鍵點(diǎn)K1、K2、K3、K4，計算出兩對應(yīng)面之間的距離的偏差量。然后根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果再進(jìn)行重復(fù)調(diào)整，直至滿足驗收的要求。

3.5 軋機(jī)牌坊的調(diào)整

軋機(jī)底座驗收完畢后，應(yīng)觀察一下基礎(chǔ)的變化情況符合要求，即要進(jìn)行下道工序軋機(jī)牌坊的安裝調(diào)整，因為牌坊的安裝是分兩片進(jìn)行，因而調(diào)整時也要同底座調(diào)整一樣控制好兩片牌坊同設(shè)備安裝控制網(wǎng)的形位誤差。調(diào)整過程如下：

（1）軋機(jī)牌坊水平度的調(diào)整。同軋機(jī)底座水平度調(diào)整方法相同應(yīng)以開啟激光跟蹤儀內(nèi)自帶的電子水準(zhǔn)儀，建立一個水平面通過高程控制點(diǎn)建立高程基準(zhǔn)面，通過十字線原則分別在傳動側(cè)和操作側(cè)采集測量點(diǎn)，通過對比分析得到調(diào)整量，從而調(diào)整至規(guī)范要求。（2）機(jī)牌坊軋制中心線及機(jī)列中心線的偏移。在機(jī)架驅(qū)動側(cè)入口同一高度內(nèi)測量兩點(diǎn)A、B，出口同一高度測量兩點(diǎn)a、b。先計算A、B、a、b四點(diǎn)到面橫向中心線面SZ的距離LA、LB、La、Lb，取LA、La相對機(jī)列中心偏移值和 LB、Lb相對機(jī)列中心偏移值的均值，即得驅(qū)動側(cè)機(jī)架相對機(jī)列中心的偏移。采用同樣地方法可計算出機(jī)架操作側(cè)相對機(jī)列中心的偏移以及軋機(jī)入口、出口相對軋制中心線的偏移。（3）軋機(jī)牌坊的垂直度。通過軋制中心線和橫向中心線上建立的坐標(biāo)模型，可建立垂直于水平面的機(jī)列中心面Sz，通過軋制中心線，可建立垂直于水平面的軋制中心面SH。測量機(jī)架窗口面垂直度時，先在待測面上從上至下測量6-8個點(diǎn)，然后可根據(jù)坐標(biāo)模型得出測量點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)我們可以知道我們調(diào)整量的大小，進(jìn)而可調(diào)整垂直度，同法可測得機(jī)架窗口側(cè)面的垂直度。

4 測量精度的控制

正確的操作是提高測量質(zhì)量的必要條件，通過使用儀器在極高測量精度上總結(jié)了以下幾方面：

（1）測量環(huán)境。由于我們機(jī)械設(shè)備安裝的現(xiàn)場各種工種交叉作業(yè)，現(xiàn)場施工的環(huán)境復(fù)雜，因此要做到以下幾點(diǎn)：一定要考慮到儀器測量控制網(wǎng)中轉(zhuǎn)站點(diǎn)的穩(wěn)定以及測站的穩(wěn)定性，并在長時間的測量中定時檢測轉(zhuǎn)站點(diǎn)，測量時應(yīng)避免附近大型物件的吊裝，因為重物有可能使地基發(fā)生不可察覺的沉降影響我們的測量精度；應(yīng)正確使用氣象傳感器，我們在現(xiàn)場施工應(yīng)注意溫度控制，這也在施測過程也表現(xiàn)的很明顯，溫度不僅對測量精度有特別的影響，溫度變化不僅會引起測量狀態(tài)發(fā)生變化更糟糕的是這些測量結(jié)果很難量化改正，因此要嚴(yán)格控制測量時的溫度；（2）儀器正確使用。在使用儀器時應(yīng)提前預(yù)熱，并在預(yù)熱完成后對儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢查，在檢查中我們不僅可以確定儀器的測量狀態(tài)，而且可能發(fā)現(xiàn)測量環(huán)境的問題；對于ADM和IFM的選擇我們應(yīng)了解其功能，ADM提供了無需返回的方便，大大提高了測量的速度，但是精度較低于IFM，所以當(dāng)測量環(huán)境較好、不易斷光時應(yīng)盡量選用IFM；對于靶球及其附件的選擇上我們應(yīng)了解其對應(yīng)不同的常數(shù)以及做好相應(yīng)的保護(hù)，還有就是應(yīng)保持靶球及其附件的清潔；操作人員測量時應(yīng)掌握好靶球到儀器的俯仰角，持靶標(biāo)測量時，靶標(biāo)的運(yùn)行速度和加速度會對測量精度產(chǎn)生影響，速度過快會使光束折斷，還有就是靶球操作人員和控制人員配合不協(xié)調(diào)導(dǎo)致測量誤差產(chǎn)生，因此提高操作人員的操作熟練度是減少人為測量誤差的有效措施；在測量過程中應(yīng)保持多余觀測，因為只有存在多余觀測才可能剔除粗差及受環(huán)境影響較大的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

采用激光跟蹤儀進(jìn)行大型軋機(jī)設(shè)備的安裝極大的提高了設(shè)備安裝的精度和設(shè)備安裝的速度，與傳統(tǒng)的安裝技術(shù)相比更有其優(yōu)勢，因而應(yīng)用激光跟蹤儀等此類儀器的推廣應(yīng)用是設(shè)備安裝技術(shù)上的一個發(fā)展趨勢。

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