激光跟蹤儀在水輪發(fā)電機組檢修中的應(yīng)用

成傳詩，黃奎，吳 江

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443001)

目前，激光測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、造船、機械加工等精密工業(yè)測量領(lǐng)域[1]，但在水電行業(yè)的應(yīng)用較少，特別是在水輪發(fā)電機組安裝、檢修中涉及面少，大多在簡單的測距等方面，為了充分利用激光測量技術(shù)，促進機組檢修與安裝技術(shù)的發(fā)展，本文對激光跟蹤儀在水輪發(fā)電機組檢修中的應(yīng)用的可行性進行研究。

1 激光跟蹤儀

1.1 測量原理

激光跟蹤儀(圖1)是結(jié)合了激光干涉測距技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機械技術(shù)、計算機及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等高精度工業(yè)測量技術(shù)[2]。核心的激光干涉測距是以跟蹤頭中心為原點的球坐標(biāo)系中的增量碼測量系統(tǒng)?；驹硎歉欘^發(fā)出激光對目標(biāo)發(fā)射器進行跟蹤，通過儀器的雙軸測角系統(tǒng)及激光干涉測距系統(tǒng)確定目標(biāo)反射器在球坐標(biāo)中的空間坐標(biāo)，通過儀器自身的校準(zhǔn)參數(shù)和氣象傳感器對內(nèi)部系統(tǒng)誤差和環(huán)境誤差進行校正補償，從而得到目標(biāo)的精確空間位置[3]，激光跟蹤儀的坐標(biāo)測量原理如圖2所示。

圖1 激光跟蹤儀和測量靶球圖

圖2 激光跟蹤儀測量原理圖

跟蹤儀測量系統(tǒng)采用極坐標(biāo)測量技術(shù)，即儀器同時獲取角度、距離值已得到空間三維坐標(biāo)。通過右手坐標(biāo)法則確定X軸，豎軸指向天頂方向為Z軸，如圖2所示，坐標(biāo)原始觀測量有水平角α、垂直角β和斜距D算得到P點坐標(biāo)[4]：

x=Dsinβcosα

y=Dsinβsinα

z=Dcosβ

1.2 設(shè)備參數(shù)

目前世界上激光跟蹤儀研究處于領(lǐng)先水平的主要是美國自動精密工程公司(API公司)、法如科技和徠卡測量系統(tǒng)有限公司等三家公司，本次研究中使用了徠卡公司的Leica AT403激光跟蹤儀，這款激光跟蹤儀是徠卡公司最新一代激光跟蹤儀。表1為這款激光跟蹤儀的測量參數(shù)。

表1 Leica AT403設(shè)備參數(shù)表

2 測量試驗

研究小組邀請了徠卡測量系統(tǒng)的技術(shù)人員在葛洲壩電站檢修現(xiàn)場進行測量試驗，并將測量結(jié)果同現(xiàn)場量具測量結(jié)果進行對比分析。

2.1 下壓指高程測量

通過測量每個點的位置建立其空間坐標(biāo)，利用其空間坐標(biāo)可以計算出高程，測量時以1號壓指為基準(zhǔn)點，再測量另外9個壓指的高程，將結(jié)果和水準(zhǔn)儀測量結(jié)果進行對比，測量結(jié)果見表2。

表2 下壓指高程測量結(jié)果表 mm

激光跟蹤儀與水準(zhǔn)儀測量值平均差值0.01 mm，最大差值0.23 mm，測量偏差在允許范圍內(nèi)，測量結(jié)果有效。

2.2 大等分定位筋測量

現(xiàn)場測量大等分定位筋半徑采用的是測圓架與內(nèi)徑千分尺結(jié)合的方式，激光跟蹤儀測量是先測量定子測圓架中心柱外徑找出中心柱中心，然后以定子測圓架中心柱中心為o點建立o-xyz坐標(biāo)系，最后在該坐標(biāo)系中測量定位筋半徑數(shù)據(jù)，如圖3。

測量結(jié)果見圖4，激光測量數(shù)據(jù)與測圓架比偏小，最大偏差為0.624 8 mm，最小偏差為0.158 3 mm，平均差值為0.412 9 mm，安裝技術(shù)要求半徑測量偏差≯0.05 mm，測量數(shù)據(jù)無效。

2.3 轉(zhuǎn)子磁軛半徑測量

轉(zhuǎn)子磁軛直徑較大(大于14 m)，傳統(tǒng)測量采用測圓架、內(nèi)徑千分尺及鋼琴線結(jié)合測量，先用內(nèi)徑千分尺和鋼琴線測量一個點的絕對半徑，然后用測圓架測量其他點相對于該點的半徑。激光跟蹤儀對轉(zhuǎn)子磁軛外徑進行測量，先測量轉(zhuǎn)子內(nèi)鏜口空間坐標(biāo)，計算擬合出轉(zhuǎn)子中心，然后以此中心坐標(biāo)為基準(zhǔn)測量磁軛半徑，由于跟蹤儀不能一次對所有位置進行測量，總共需要轉(zhuǎn)站3次。

圖3 激光跟蹤儀測量半徑原理圖

圖4 激光跟蹤儀與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)差值圖

測量結(jié)果見圖5，激光測量值和傳統(tǒng)測量相比，最大偏差-3.385 7 mm，最小偏差0.000 1 mm，平均偏差0.914 7 mm。其中第一段偏差很小，最大偏差-0.374 9 mm，平均偏差0.094 8 mm，第二段最大偏差2.09 8 mm，平均偏差1.326 mm，第三段最大偏差-3.385 7 mm，平均偏差1.457 2 mm。激光跟蹤儀測量磁軛半徑，在不需要轉(zhuǎn)站的情況下誤差較小，大約在0.1 mm左右，但經(jīng)過轉(zhuǎn)站后，由于跟蹤儀移動位置，平均測量誤差驟然增大，誤差超過1 mm，不滿足技術(shù)要求精度，測量無效。

2.4 導(dǎo)軸承軸領(lǐng)直徑測量

激光跟蹤儀通過在軸領(lǐng)外側(cè)測量一系列點，通過計算機擬合計算出圓柱面的半徑。

測量結(jié)果見表3，兩次測量數(shù)據(jù)均在參考值范圍內(nèi)，測量偏差值0.17 mm，測量數(shù)據(jù)有效。

圖5 激光測量與測圓架測量偏差圖

表3 軸領(lǐng)測量數(shù)據(jù)表

3 測量效率對比

將傳統(tǒng)測量方法與激光跟蹤儀測量所需工時進行對比，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 傳統(tǒng)測量方法與激光跟蹤儀測量所需工時對比表

從表4的數(shù)據(jù)來看，在一些測量工作量很大以及一些需要專用工裝測量的項目，如轉(zhuǎn)子圓度和定子半徑等，激光測量測量效率高，但在一些簡單的測量上，如中心柱外徑和銅瓦內(nèi)徑等，由于跟蹤儀測量之前需要調(diào)試，所以效率沒有明顯的提高。因此，激光跟蹤儀在測量復(fù)雜(傳統(tǒng)測量需要專用工裝輔助)、大規(guī)模重復(fù)性測量時，測量效率很高，但在一些簡單、測量量不大的工作中，測量效率相差不大。

4 結(jié) 語

在項目的研究過程中，通過對激光測量和激光跟蹤儀的相關(guān)技術(shù)研究和在檢修現(xiàn)場的實際試驗，得出以下結(jié)論：

1)激光跟蹤儀可以運用于檢修現(xiàn)場高程測量，如下壓指高程測量、風(fēng)閘高程測量、轉(zhuǎn)輪高程測量、推力頭高程測量等；

2)利用激光跟蹤儀可以測量小尺寸部件(直徑小于3 m)尺寸，比如軸領(lǐng)之間、銅瓦直徑等；

3)激光跟蹤儀暫時無法滿足范圍很大(直徑10 m左右)并且測量精度要求很高(≯0.05 mm)的測量，比如檢修過程中的定位筋半徑、垂直度、定位筋弦距測量等情況；

4)激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站后測量誤差急劇增大[5]，無法滿足直徑較大(大于10 m)并且測量精度要求高(≯0.05 mm)的測量，比如轉(zhuǎn)子圓度、半徑；

5)激光測量速度快，無需使用大型工裝，測量數(shù)據(jù)顯示直觀，精度較高，在水輪發(fā)電機檢修過程中適用情況多，可以大大提高工作效率[6-7]。