余 蘇 運金芬 張 進 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，測量任意空間點的三維坐標。在精密制造、裝配及檢測等工業(yè)測量領域，除了傳統(tǒng)的全站儀、經緯儀外，各種新技術不斷涌現，包括激光跟蹤儀、關節(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、實時快速等優(yōu)點。

我公司研制的60萬t熱解反應爐內爐體，其中需要對9節(jié)爐體進行在線測量指導機床調試加工、在線測量指導爐體裝配。為此，采用激光跟蹤測量技術進行了爐體分段筒體的機床在線測量。

1 技術方法

1.1 全局基準坐標系控制

重型裝備組件在進行加工與裝配中，全局基準坐標系控制是大長度高精度在線測量中的關鍵點。在大型組件外部利用跟蹤儀測量這些全局控制點，得到全局坐標系下的基準點坐標。由于受大型工件等遮擋因素，使得跟蹤儀無法在一個站點可視所有控制點。測量整個工件表面的控制點需要多次儀器轉站，測量基準反復變換。多站位坐標轉換導致測量誤差累積。利用分站式組合測量網絡，構建大長度空間統(tǒng)一基準制造、測量模式，控制工件表面定位精度。即所有站位構造封閉的全局控制網。多站同時配準方法利用矩陣加權線性最小方差最優(yōu)數據融合準則，融合各站點的控制點測量數據，提高控制點測量精度。根據每個測站的協(xié)方差矩陣確定其權重矩陣，以融合點為全局坐標系基準。解決測量基準變換，造成測量誤差累積與放大難題，同時解決單一測量設備有效測量范圍小，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行全局基準坐標系的建立，通過在6 m鋁球外表面布設如圖1所示的監(jiān)測點，作為鋁球加工過程中全局基準坐標系建立的控制點。通過采用全局監(jiān)測點布網與測點平差技術，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系轉換到精度受控的全局坐標系。利用該項技術，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，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位精度，尋找一種直接對目標點測量權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點測量精度。

1.2.1 多臺跟蹤儀組網測量技術

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位(特別是大尺寸空間中的點位)精度，因此考慮采用激光跟蹤儀來建立測量距離解算測點坐標值的測量網。從理論上規(guī)避跟蹤儀測角精度對大尺寸測量的影響。

該測量技術基本原理為利用三臺或三臺以上跟蹤儀測量空間定向點的距離值，采用加權秩虧自由網平差模型，基于重心基準，進行系統(tǒng)定向解算，解算得到激光跟蹤儀測站中心的三維坐標值(X0i，Y0i，Z0i)，然后多臺跟蹤儀同時測量儀器中心到空間目標點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，計算空間目標點j的坐標值(Xj，Yj，Zj)。

1.2.2 多功能測量儀器云臺研制

實際測量中，如8萬t C型板、60萬t粉煤熱解反應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。通過云臺的4個自由度調節(jié)機構來調整，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 實際測量點與工藝點的最佳擬合控制

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加工測量，找出名義尺寸與實際尺寸的差值，輸入機床用這一誤差值修正機床的調整與進給量，再行加工直至滿足設計要求。大型組件在現場進行裝配中，根據實際測量點與工藝理論點最佳擬合，建立大型組件總體的安裝基準坐標系，在此坐標系下用跟蹤儀來指導部件的工藝點達到指定位置，從而保證每個部件的安裝精度達到設計要求。

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

運用工藝點與實際點最佳擬合測量技術，能夠在異形部件拼裝過程中進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置工藝點，并通過工藝賦值或實際測量，確定工藝點的坐標值(x，y，z)。部件進入整體裝配中，由于受基準面或異形結構的影響，精確地將部件調整于全局坐標系下較為困難。采用激光跟蹤儀測量技術，測量工藝點的實際測量值，采用全局坐標系修正實際測量值與理論工藝點的差值。運用最佳擬合測量技術對組裝部件的工藝點進行有效匹配，對部件進行不斷調整，直至部件工藝點滿足全局坐標系的要求。

2 重點項目技術應用

2.1 粉煤熱解反應爐內爐體拼接測量

60萬t反應爐是超大型回轉工件，長度達到約60 m、直徑達到5 m。主要技術指標同軸度優(yōu)于3 mm，進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、三段運輸段拼焊過程中、內爐體預拼過程中、現場內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，獲取相關尺寸、形位公差，用于指導鉚焊工序的拼裝精度控制與檢測，機加工序的找正調節(jié)精度控制與檢測以及最終的交檢。

運用大型組件測量技術成果，為反應爐的單節(jié)筒體機床在線輔助加工測量、單節(jié)筒體中心基準體系建立、筒體拼焊精度控制與檢測、全長爐體預拼精度控制與檢測等4個制造流程均提供了測量技術，滿足了測量需求。單節(jié)筒體機床在線加工，受制于筒體薄壁件易變形等特點，通過激光跟蹤儀工藝控制點最佳擬合技術，獲取筒體基準與機床加工基準的匹配，保證了機床加工精度，滿足工藝要求。筒體基準體系建立、筒體拼焊精度控制、爐體預拼等流程，均提出了苛刻的測量要求，通過運用全局布點、多功能云臺以及最佳擬合技術，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。因此制造工藝復雜，需要冷彎成形、精加工等工藝，同樣需要測量技術支撐。在采用冷彎工藝實現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、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，會導致彎制成形后的主管道內外壁變形、厚度不均、內外表面出現凹凸現象，形成一個不規(guī)則的自由曲面。因此，對測量技術提出了嚴格要求，必須準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。

運用多控制點的大長度空間基準體系建立技術，構建主管道測量基準坐標系，解決受主管道制造基本成形理念所帶來的相互關聯尺寸無法完全符合圖紙的問題。通過統(tǒng)一多次測量的基準坐標系，保證成形工藝流程、固溶工藝流程、劃線工藝流程、機加以及最終交檢的工藝流程下基準體系復現的準確性，為主管道全流程加工基準的唯一性提供了重要的測量技術支撐。

3 結論

運用激光跟蹤儀測量技術進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難題。由于這種大尺寸測量技術的加入，并不只是將原有的技術進行升級，而是一場測量技術與測量理念的更新換代，大幅提高了生產效率，對于復雜以及龐大的重型技術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。