激光跟蹤儀在分段筒體安裝中的應(yīng)用

李書(shū)磊，朱旭甫，劉志廣，馬 斌

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

隨 著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，設(shè)備的大型化、節(jié)能化逐漸成為發(fā)展方向。燒結(jié)機(jī)規(guī)格已經(jīng)從 260 m2逐漸發(fā)展到 660 m2。圓筒混合機(jī)是燒結(jié)原料混合的主要設(shè)備，因具有生產(chǎn)能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、日常維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛采用。國(guó)內(nèi)圓筒混合機(jī)的規(guī)格已經(jīng)由?3.2 m×12 m 擴(kuò)大到?5.1 m×28 m，根據(jù)國(guó)外資料介紹，最大規(guī)格的筒圓混合機(jī)已達(dá)到?6.0 m×36 m[1]。

現(xiàn)有小規(guī)格圓筒混合機(jī)筒體采用先將筒體分段組焊、整體消除內(nèi)應(yīng)力，然后整體加工的工藝方法，這種筒體結(jié)構(gòu)有利于保證各加工尺寸公差要求。但隨著圓筒混合機(jī)的大型化，圓筒混合機(jī)筒體的尺寸和質(zhì)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出加工設(shè)備所能達(dá)到的極限。另外，大型圓筒混合機(jī)筒體的運(yùn)輸也是一個(gè)很大的難題。為適應(yīng)燒結(jié)工程大型化發(fā)展需要，有必要對(duì)大型圓筒混合機(jī)筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在大型圓筒混合機(jī)筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中研發(fā)出一種全新的分段筒體結(jié)構(gòu)及組裝方法，即采用了分段加工、運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接成整體的方案。

通過(guò)近幾年來(lái)大型圓筒混合機(jī)分段筒體結(jié)構(gòu)加工及裝配實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，筒體中 2 個(gè)滾圈的同軸度和大齒圈的端面圓跳動(dòng)直接影響到現(xiàn)場(chǎng)筒體運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。2 個(gè)滾圈同軸度及大齒圈端面圓跳動(dòng)公差精度要求高、外形檢測(cè)難度大。為方便大型圓筒混合機(jī)尺寸檢測(cè)，引入了激光跟蹤儀。激光跟蹤儀集合了激光干涉測(cè)量技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)[2]，可以對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的三維坐標(biāo)[3]，具有高精度、高效率測(cè)量，便于安裝，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。

1 圓筒混合機(jī)筒體結(jié)構(gòu)

圓筒混合機(jī)如圖 1 所示。筒體是圓筒混合機(jī)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(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的順利運(yùn)行和使用壽命。傳動(dòng)裝置由滾圈、筒體內(nèi)附件等組成。

圖1 圓筒混合機(jī)Fig.1 Drum mixer

圓筒混合機(jī)筒體是用厚度不等的幾段等內(nèi)徑筒節(jié)對(duì)焊而成，中小型圓筒混合機(jī)筒體設(shè)計(jì)為 3 段式，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。中間筒體上包含 2 個(gè)滾圈，兩滾圈的同軸度為關(guān)鍵位置公差，合格與否直接影響圓筒混合機(jī)的運(yùn)行。通常在重型臥式車床上完成中間筒體的加工，靠機(jī)床加工精度保證 2 個(gè)滾圈的同軸度，在制造廠內(nèi)完成 3 段筒體的焊接后，再整體發(fā)往用戶現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 三段式筒體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of three-segment drum

隨著圓筒混合機(jī)規(guī)格越來(lái)越大，受加工機(jī)床規(guī)格和運(yùn)輸尺寸的限制，圓筒混合機(jī)筒體分段加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組焊成整體的工藝方法已成為其大型化發(fā)展的必然選擇。直徑大于 4.6 m 的圓筒混合機(jī)筒體多采用分段設(shè)計(jì) (一般為 8 段)，如圖 3 所示。相鄰的筒節(jié)間在連接處分別設(shè)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(gè)滾圈均在制造廠完成加工。以?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機(jī)為例，安裝規(guī)范要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試完成后，筒體兩滾圈同軸度 ≤?1.5 mm，大齒圈端面圓跳動(dòng)≤1.5 mm，徑向圓跳動(dòng)≤ 1.5 mm。在制造廠內(nèi)需將筒體及大齒圈預(yù)組裝檢驗(yàn)合格后再分段發(fā)往用戶現(xiàn)場(chǎng)，這樣可以有效保證現(xiàn)場(chǎng)筒體的安裝精度。2 個(gè)滾圈同軸度及大齒圈圓跳動(dòng)最終需要由現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)節(jié)來(lái)保證，這就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)筒體尺寸測(cè)量的可操作性和測(cè)量精度提出了更高的要求。

圖3 分段筒體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of segmented drum

圖4 筒節(jié)間止口連接結(jié)構(gòu)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(duì)大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)如圖 5 所示，主要由跟蹤頭、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、反射球及測(cè)量附件組成。

圖5 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)Fig.5 Measurement system of laser tracker

激光跟蹤儀通過(guò)內(nèi)置激光干涉器、紅外線激光發(fā)射器、光靶反射球來(lái)測(cè)量空間位置，通過(guò)光柵編碼器測(cè)量水平和俯仰角度，實(shí)現(xiàn)三維大體積現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。其測(cè)量原理如圖 6 所示，在球坐標(biāo)系統(tǒng)中，設(shè)跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心為 O 點(diǎn)，被測(cè)靶鏡的中心為 P 點(diǎn)。用 2 個(gè)角度編碼器分別測(cè)量出 P 點(diǎn)的垂直角β和水平角α，用激光跟蹤儀測(cè)量得到 O 點(diǎn)到 P 點(diǎn)的距離 d，則 P 點(diǎn)的坐標(biāo) (x，y，z) 很容易用α、β和 d 計(jì)算得出[2]

圖6 激光跟蹤儀坐標(biāo)測(cè)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(jī)筒體施工中的應(yīng)用

為某鋼廠設(shè)計(jì)制造的 2 臺(tái)?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機(jī)，筒體凈重達(dá) 210 t，為解決筒體制造及運(yùn)輸難題，在設(shè)計(jì)時(shí)筒體分 8 段加工、運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)拼裝調(diào)正后再焊接。

3.1 激光跟蹤儀在廠內(nèi)預(yù)組裝中的應(yīng)用

為保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備順利安裝調(diào)試，凸、凹法蘭及各筒節(jié)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(jié)凸、凹法蘭的加工精度。筒體和大齒圈發(fā)貨前需進(jìn)行廠內(nèi)預(yù)組裝，并采用激光跟蹤儀檢測(cè)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(jīng)過(guò)目標(biāo)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(jìn)行預(yù)組裝Fig.7 Establishment of 3D model with laser tracker for pre-assembly

激光跟蹤儀檢測(cè)過(guò)程如下：選用合格的激光跟蹤儀和反射球，在 2 個(gè)滾圈外圓及大齒圈外圓標(biāo)記若干點(diǎn)位，手動(dòng)移動(dòng)反射球，測(cè)量所標(biāo)記點(diǎn)位的空間坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)筒體多次投影，電腦軟件通過(guò)最小二乘法計(jì)算出 3 處圓柱體的當(dāng)量軸線。反射球放置在所測(cè)圓柱的外表面，計(jì)算機(jī)通過(guò)所測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值和模擬運(yùn)算即可得到所測(cè)點(diǎn)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(cè)端面記若干點(diǎn)位，手動(dòng)移動(dòng)反射球，測(cè)量所標(biāo)記點(diǎn)位的空間坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)筒體，多次投影，電腦軟件通過(guò)最小二乘法計(jì)算出兩滾圈的當(dāng)量軸線。反射球放置在大齒圈端面，通過(guò)計(jì)算機(jī)通過(guò)所測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值和模擬運(yùn)算即可得到所測(cè)點(diǎn)的端面圓跳動(dòng)誤差值。經(jīng)過(guò)調(diào)整所測(cè)兩滾圈與大齒圈尺寸均滿足圖紙要求后，再拆裝發(fā)貨。

3.2 激光跟蹤儀在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng) 8 段筒體通過(guò)凸、凹法蘭和各段之間的緊固件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝后，使用激光跟蹤儀對(duì)筒體尺寸(包括兩滾圈同軸度) 進(jìn)行檢測(cè)。所檢尺寸不滿足圖紙要求時(shí)，調(diào)整凸、凹法蘭連接的緊固件進(jìn)行微調(diào)，待所檢尺寸全部滿足圖紙要求后再對(duì)各筒節(jié)之間的熔透性焊縫進(jìn)行施焊，焊接完成后，再對(duì)筒體尺寸進(jìn)行復(fù)檢，完全合格后再進(jìn)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(duì)大齒圈端面圓跳動(dòng)及徑向圓跳動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，尺寸合格后才能進(jìn)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(jī)筒體安裝完成后，2 個(gè)滾圈與大齒圈同軸度、大齒圈端面圓跳值及徑向圓跳動(dòng)值等均滿足圖紙要求。激光跟蹤儀檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 激光跟蹤儀檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Detection data of laser tracker mm

4 結(jié)語(yǔ)

隨著燒結(jié)設(shè)備大型化發(fā)展，圓筒混合機(jī)規(guī)格也越來(lái)越大。筒體分段成為必然趨勢(shì)。筒節(jié)之間的凸、凹法蘭結(jié)構(gòu)，安裝方法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)接精度高，能顯著縮短現(xiàn)場(chǎng)筒節(jié)對(duì)接時(shí)間。激光跟蹤儀在大體積檢測(cè)中的實(shí)用性、精準(zhǔn)性和高效性，為大型圓筒混合機(jī)的精準(zhǔn)檢測(cè)及安裝提供了便利。分段筒體結(jié)構(gòu)配合激光跟蹤儀的使用，有效保證了圓筒混合機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為大型燒結(jié)機(jī)的達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。