激光跟蹤儀在軋機設備安裝中的應用

盧青 吳鍵 蔡聯河

【摘 要】隨著冶金工業的發展對工業機械設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場設備的安裝為公司注入新的創新力量成為一種趨勢。本文從機械設備安裝的角度出發，基于激光跟蹤儀的測量特點敘述了該儀器對基礎墊板安裝的預控能力、機械設備安裝控制網檢測和布設能力及能極大的提高設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設備安裝中的實際應用，可為今后類似工程提供借鑒。

【關鍵詞】激光跟蹤儀 軋機 預控 檢測 安裝

1 引言

為滿足項目設備安裝順利進行引進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測量設備，為大型設備的安裝提供了切實可行的安裝依據。此次運用激光跟蹤儀完成軋機設備的安裝是與傳統安裝技術對比的一次技術上的“革命”。

2 激光跟蹤儀的測量技術

2.1 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀系統2個角編碼器自動測量靶標相對于跟蹤儀的水平方位角和垂直方位角；靶標與激光跟蹤儀之間的距離由激光干涉測量。這些信息經傳感器電纜傳給激光跟蹤儀控制器，跟蹤儀控制機經整理計算后，一部分信息經馬達電纜反饋回激光跟蹤儀，控制伺服馬達，使激光跟蹤儀始終鎖定移動的靶標；另一部分信息經局域網傳輸給應用處理機，儲存在數據庫中。跟蹤儀得到的測量數據定義了一個完整的球體坐標系。原點是跟蹤部反射鏡中心，根據三角函數公式可以將球坐標系下的坐標值轉化成笛卡爾坐標系下的坐標值。坐標系原點仍在萬向反射鏡中心（如圖基本坐標系），這個坐標系稱作基坐標系或者叫本地坐標系，基坐標系也是開始一個新工作的起始坐標系。

2.2 激光跟蹤儀測量技術特點

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

3 激光跟蹤儀在軋機設備安裝中的應用

3.1 儀器測量控制網的布設

對于激光跟蹤儀單次設站測量范圍是無法完成我們的測量需求，仍需要多次設站來完成整體測量，這就需要利用我們的儀器布設精密的三維控制網。對于儀器本身而言我們應該注意到儀器的測角誤差遠大于測距誤差，由于我們一般現場設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，因此為保證設備安裝的精度需要建立任意姿態的高精度三維邊網平差模型。其方法模型如圖1所示，其中P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9點為我們測量控制網中的轉站基準點，在我們安裝的現場由于空間狹小我們以選擇了三個基準點為一組，通過轉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符合我們的測量規范。

圖1 軋機測量控制網布設

3.2 設備安裝控制網的檢測

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

圖2 設備安裝控制網

3.3 備安裝基礎預控處理

為保證底座安裝的精確度對于基礎的處理要保證設備二次灌漿與混凝土基礎頂面粘接牢固，確保今后設備運行平穩，在底座安裝之前應用風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，應嚴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。對主要設備來說，高差公差及水平度應符合我們的規范要求。在座漿墊板安裝完成通過安裝工序的進行符合安裝底座時為方便底座調整，我們應該利用儀器先將組合墊板的高度及水平調整到位以及將底座放置的位置在基礎上標記出來。這樣可以減少我們后期設備調整時間上的浪費。

3.4 軋機底座調整

對于軋機設備的調整我提出了首先要建立一個合適的坐標系模型如圖3所示以儀器本身建立大地水平坐標系，這也是我們測量的基坐標系，其次我們為方便設備安裝的調整還應以設備安裝基準線為x軸大地水平面方向為z軸建立的橫向坐標系和縱向坐標系。在建立坐標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。在對于標高控制點上，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將采集的標高點通過大地水平面的平移得到高程基準面。

圖3 坐標系模型 圖4 參考面

對于軋機底座的調整我們的調整原則是先平后正循序漸進。調整過程如下：

（1）軋機底座的標高調整。通過測量標高基準點，采用SA軟件中最高點的命令其中包含了靶球及附件參數設置，然后通過建立的高程基準面就可以與軋機底座設計標高進行對比，即可得到與軋機底座之間的標高差H0。我們采集標高點的方法分別在軋機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到對象，從而得出采集的4個標高點與水平面之間的標高差Hi，通過與H0的比照很明顯我們可以知道我們調整量的大小，在調整底座標高時我們保證底座調整的高度要比設計標高高0.10～0.30mm，因為考慮到后面的螺栓緊固和基礎沉降的影響，這種調整量的增加也是通過調整總結出來的經驗。（2）軋機底座的水平度。我們調整底座水平度的原則是以畫十字線方式進行，就是在軋機底座的一端通過穩定點測量命令收集兩條十字線（如圖3），此時我們可以將數據全部都收集起來然后進行多點到對象的數據查詢，得出來的數據結果可以清楚的告訴我們調整量的大小。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果進行實時觀察并進行調整。（3）軋機底座軋制中心線。通過我們建立的坐標模型縱向坐標系，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（因為每臺設備的精整面不同我們以現場安裝為準）上分別采集4個點，通過查詢中的多個點到對象的測量命令即可得到驅動側（操作側）軋機底座距離縱向中心線的偏移量，在調整的過程中需要我們重復去測量偏移量以滿足我們的規范要求，有必要時可以進行實時觀測命令進行測量。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致我們靶球設置的偏移量問題有時候會干擾我們對數據的應用，通過在現場的實驗我總結了以下兩點：矢量面的方向與矢量組方向一致時，靶球的偏移量為正；當矢量面的方向與矢量組的方向相反時，靶球的偏移量為負。（4）軋機底座的橫向中心線。通過坐標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，通過數據分析即可獲得進、出口底座與橫向中心線的偏移量，進而方便我們的調整。（5）軋機底座的平行度。在軋機中心線調整完，分別在軋機進、出口底座傳動側和操作側掃描一個面P1、P2、P3、P4，每個面內確定一個關鍵點K1、K2、K3、K4，計算出兩對應面之間的距離的偏差量。然后根據數據結果再進行重復調整，直至滿足驗收的要求。

3.5 軋機牌坊的調整

軋機底座驗收完畢后，應觀察一下基礎的變化情況符合要求，即要進行下道工序軋機牌坊的安裝調整，因為牌坊的安裝是分兩片進行，因而調整時也要同底座調整一樣控制好兩片牌坊同設備安裝控制網的形位誤差。調整過程如下：

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

4 測量精度的控制

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

（1）測量環境。由于我們機械設備安裝的現場各種工種交叉作業，現場施工的環境復雜，因此要做到以下幾點：一定要考慮到儀器測量控制網中轉站點的穩定以及測站的穩定性，并在長時間的測量中定時檢測轉站點，測量時應避免附近大型物件的吊裝，因為重物有可能使地基發生不可察覺的沉降影響我們的測量精度；應正確使用氣象傳感器，我們在現場施工應注意溫度控制，這也在施測過程也表現的很明顯，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發生變化更糟糕的是這些測量結果很難量化改正，因此要嚴格控制測量時的溫度；（2）儀器正確使用。在使用儀器時應提前預熱，并在預熱完成后對儀器進行現場檢查，在檢查中我們不僅可以確定儀器的測量狀態，而且可能發現測量環境的問題；對于ADM和IFM的選擇我們應了解其功能，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，所以當測量環境較好、不易斷光時應盡量選用IFM；對于靶球及其附件的選擇上我們應了解其對應不同的常數以及做好相應的保護，還有就是應保持靶球及其附件的清潔；操作人員測量時應掌握好靶球到儀器的俯仰角，持靶標測量時，靶標的運行速度和加速度會對測量精度產生影響，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調導致測量誤差產生，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境影響較大的數據。

5 結語

采用激光跟蹤儀進行大型軋機設備的安裝極大的提高了設備安裝的精度和設備安裝的速度，與傳統的安裝技術相比更有其優勢，因而應用激光跟蹤儀等此類儀器的推廣應用是設備安裝技術上的一個發展趨勢。

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