激光跟蹤儀在分段筒體安裝中的應用

李書磊，朱旭甫，劉志廣，馬 斌

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

隨 著鋼鐵工業的發展，設備的大型化、節能化逐漸成為發展方向。燒結機規格已經從 260 m2逐漸發展到 660 m2。圓筒混合機是燒結原料混合的主要設備，因具有生產能力大、結構簡單、日常維護量小等優點而得到廣泛采用。國內圓筒混合機的規格已經由?3.2 m×12 m 擴大到?5.1 m×28 m，根據國外資料介紹，最大規格的筒圓混合機已達到?6.0 m×36 m[1]。

現有小規格圓筒混合機筒體采用先將筒體分段組焊、整體消除內應力，然后整體加工的工藝方法，這種筒體結構有利于保證各加工尺寸公差要求。但隨著圓筒混合機的大型化，圓筒混合機筒體的尺寸和質量已經遠遠超出加工設備所能達到的極限。另外，大型圓筒混合機筒體的運輸也是一個很大的難題。為適應燒結工程大型化發展需要，有必要對大型圓筒混合機筒體結構進行優化。在大型圓筒混合機筒體的結構設計中研發出一種全新的分段筒體結構及組裝方法，即采用了分段加工、運輸，現場進行焊接成整體的方案。

通過近幾年來大型圓筒混合機分段筒體結構加工及裝配實踐發現，筒體中 2 個滾圈的同軸度和大齒圈的端面圓跳動直接影響到現場筒體運轉穩定性。2 個滾圈同軸度及大齒圈端面圓跳動公差精度要求高、外形檢測難度大。為方便大型圓筒混合機尺寸檢測，引入了激光跟蹤儀。激光跟蹤儀集合了激光干涉測量技術、光電探測技術、精密機械技術、計算機及控制技術、現代數值計算理論等各種先進技術[2]，可以對空間運動目標進行跟蹤并實時測量目標的三維坐標[3]，具有高精度、高效率測量，便于安裝，操作簡便等特點，是工業測量系統中一種高精度的大尺寸測量儀器。

1 圓筒混合機筒體結構

圓筒混合機如圖 1 所示。筒體是圓筒混合機的主體，起到承接物料和混勻的作用，是制造難度最大的部件，其加工質量直接關系到設備的順利運行和使用壽命。傳動裝置由滾圈、筒體內附件等組成。

圖1 圓筒混合機Fig.1 Drum mixer

圓筒混合機筒體是用厚度不等的幾段等內徑筒節對焊而成，中小型圓筒混合機筒體設計為 3 段式，結構如圖 2 所示。中間筒體上包含 2 個滾圈，兩滾圈的同軸度為關鍵位置公差，合格與否直接影響圓筒混合機的運行。通常在重型臥式車床上完成中間筒體的加工，靠機床加工精度保證 2 個滾圈的同軸度，在制造廠內完成 3 段筒體的焊接后，再整體發往用戶現場。

圖2 三段式筒體結構Fig.2 Structure of three-segment drum

隨著圓筒混合機規格越來越大，受加工機床規格和運輸尺寸的限制，圓筒混合機筒體分段加工、運輸、現場組焊成整體的工藝方法已成為其大型化發展的必然選擇。直徑大于 4.6 m 的圓筒混合機筒體多采用分段設計 (一般為 8 段)，如圖 3 所示。相鄰的筒節間在連接處分別設有凸、凹法蘭，止口定位 (如圖 4所示)[4]，每段筒體兩端凸、凹法蘭及 2 個滾圈均在制造廠完成加工。以?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機為例，安裝規范要求現場設備調試完成后，筒體兩滾圈同軸度 ≤?1.5 mm，大齒圈端面圓跳動≤1.5 mm，徑向圓跳動≤ 1.5 mm。在制造廠內需將筒體及大齒圈預組裝檢驗合格后再分段發往用戶現場，這樣可以有效保證現場筒體的安裝精度。2 個滾圈同軸度及大齒圈圓跳動最終需要由現場安裝調節來保證，這就對現場筒體尺寸測量的可操作性和測量精度提出了更高的要求。

圖3 分段筒體結構Fig.3 Structure of segmented drum

圖4 筒節間止口連接結構Fig.4 Structure of stop connection between drum segments

2 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀適用于對大尺寸、結構復雜的設備進行測量。激光跟蹤儀測量系統如圖 5 所示，主要由跟蹤頭、控制系統、計算機、反射球及測量附件組成。

圖5 激光跟蹤儀測量系統Fig.5 Measurement system of laser tracker

激光跟蹤儀通過內置激光干涉器、紅外線激光發射器、光靶反射球來測量空間位置，通過光柵編碼器測量水平和俯仰角度，實現三維大體積現場測量。其測量原理如圖 6 所示，在球坐標系統中，設跟蹤器的旋轉中心為 O 點，被測靶鏡的中心為 P 點。用 2 個角度編碼器分別測量出 P 點的垂直角β和水平角α，用激光跟蹤儀測量得到 O 點到 P 點的距離 d，則 P 點的坐標 (x，y，z) 很容易用α、β和 d 計算得出[2]

圖6 激光跟蹤儀坐標測量原理Fig.6 Principle of laser tracker coordinate measurement

3 激光跟蹤儀在大型圓筒混合機筒體施工中的應用

為某鋼廠設計制造的 2 臺?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機，筒體凈重達 210 t，為解決筒體制造及運輸難題，在設計時筒體分 8 段加工、運輸，現場拼裝調正后再焊接。

3.1 激光跟蹤儀在廠內預組裝中的應用

為保證現場設備順利安裝調試，凸、凹法蘭及各筒節的外圓焊接坡口均在立式車床上一次加工完成，確保每段筒節凸、凹法蘭的加工精度。筒體和大齒圈發貨前需進行廠內預組裝，并采用激光跟蹤儀檢測兩滾圈和大齒圈的尺寸。使用的激光跟蹤儀精度為5 μm/m，經過目標跟蹤形成的空間三維模型如圖 7所示。

圖7 激光跟蹤儀建立三維模型進行預組裝Fig.7 Establishment of 3D model with laser tracker for pre-assembly

激光跟蹤儀檢測過程如下：選用合格的激光跟蹤儀和反射球，在 2 個滾圈外圓及大齒圈外圓標記若干點位，手動移動反射球，測量所標記點位的空間坐標。旋轉筒體多次投影，電腦軟件通過最小二乘法計算出 3 處圓柱體的當量軸線。反射球放置在所測圓柱的外表面，計算機通過所測點的空間坐標值和模擬運算即可得到所測點的同軸度誤差。

同樣方法，將激光跟蹤儀和反射球放置在兩滾圈外圓及大齒圈一側端面記若干點位，手動移動反射球，測量所標記點位的空間坐標，旋轉筒體，多次投影，電腦軟件通過最小二乘法計算出兩滾圈的當量軸線。反射球放置在大齒圈端面，通過計算機通過所測點的空間坐標值和模擬運算即可得到所測點的端面圓跳動誤差值。經過調整所測兩滾圈與大齒圈尺寸均滿足圖紙要求后，再拆裝發貨。

3.2 激光跟蹤儀在現場檢測中的應用

現場 8 段筒體通過凸、凹法蘭和各段之間的緊固件在現場進行組裝后，使用激光跟蹤儀對筒體尺寸(包括兩滾圈同軸度) 進行檢測。所檢尺寸不滿足圖紙要求時，調整凸、凹法蘭連接的緊固件進行微調，待所檢尺寸全部滿足圖紙要求后再對各筒節之間的熔透性焊縫進行施焊，焊接完成后，再對筒體尺寸進行復檢，完全合格后再進行大齒圈的吊裝。大齒圈安裝到位后再次利用激光跟蹤儀對大齒圈端面圓跳動及徑向圓跳動進行檢測，尺寸合格后才能進行其他部件的安裝[6-8]。

按照以上施工工藝方法，圓筒混合機筒體安裝完成后，2 個滾圈與大齒圈同軸度、大齒圈端面圓跳值及徑向圓跳動值等均滿足圖紙要求。激光跟蹤儀檢測數據如表 1 所列。

表1 激光跟蹤儀檢測數據Tab.1 Detection data of laser tracker mm

4 結語

隨著燒結設備大型化發展，圓筒混合機規格也越來越大。筒體分段成為必然趨勢。筒節之間的凸、凹法蘭結構，安裝方法簡單可靠，對接精度高，能顯著縮短現場筒節對接時間。激光跟蹤儀在大體積檢測中的實用性、精準性和高效性，為大型圓筒混合機的精準檢測及安裝提供了便利。分段筒體結構配合激光跟蹤儀的使用，有效保證了圓筒混合機的關鍵設計指標的實現，為大型燒結機的達標達產奠定了基礎。