激光跟蹤儀在采棉機(jī)車架制造中的應(yīng)用研究

譚磁安

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

采棉機(jī)屬于技術(shù)復(fù)雜程度高的大型農(nóng)機(jī)裝備[1-2]，其車架作為整機(jī)主體骨架結(jié)構(gòu)，能有效為其他各部件提供安裝支撐。車架通常由前橋組件、后橋組件和中間框架三個部分組成，為保證采棉機(jī)在采摘過程中輪胎阻力小且車身受力均勻，要對前后橋的中心重合度有一定要求，且考慮采棉機(jī)在打包過程中的平穩(wěn)性，需對于中間框架上平面的平面度有一定要求。

為滿足設(shè)計要求，同時考慮制造效率，一般將三個部件組焊前分別機(jī)加工，然后通過工裝進(jìn)行組焊，如圖1。車架屬于大型結(jié)構(gòu)件，成品后檢測難度較大，尤其是形位公差尺寸的測量。目前，傳統(tǒng)測量主要是通過大型數(shù)控機(jī)床或者是采用大型三坐標(biāo)對車架的形位公差尺寸進(jìn)行檢測[3-5]，該方法效率低下，成本高，且對設(shè)備、空間位置、環(huán)境以及人員的技術(shù)水平都有著較高的要求。

圖1 車架制造三維模型

激光跟蹤儀作為一種可攜帶式的大尺寸空間坐標(biāo)測量儀器，具有精確度高、操作簡單、移動便捷等特點(diǎn)，尤其對于大型結(jié)構(gòu)件，可通過轉(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)多方位檢測。在機(jī)械制造、設(shè)備裝配和產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[6-8]。為解決車架傳統(tǒng)檢測的問題，本文提出應(yīng)用激光跟蹤儀對其形位公差尺寸進(jìn)行檢測。

1 激光跟蹤儀介紹

1.1 測量原理

激光跟蹤儀是一種精密空間坐標(biāo)測量設(shè)備，它用激光干涉儀和先進(jìn)的伺服控制技術(shù)來測量目標(biāo)反射靶球和跟蹤儀的相對位置[9]。激光跟蹤儀和測量靶球形成一個球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，跟蹤儀的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸組成測量系統(tǒng)的三個軸，三軸交點(diǎn)即測量遠(yuǎn)點(diǎn)，工作原理如圖2[10]。

圖2 激光跟蹤儀測量原理

靶球A點(diǎn)為被測點(diǎn)，通過測量空間距離L和兩個方位角α與β，即可確定被測點(diǎn)A的空間坐標(biāo)；其中，L、α、β也稱作點(diǎn)A的球面坐標(biāo)，其變化范圍為：

被測靶球A的空間坐標(biāo)為：

1.2 激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站

激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站測量是指當(dāng)測量目標(biāo)由于幾何結(jié)構(gòu)或者環(huán)境因素干擾導(dǎo)致測量光路中斷，以致使用一臺激光跟蹤儀無法獲得目標(biāo)的所有信息。針對此種情況，利用多臺激光跟蹤儀或者單臺激光跟蹤儀多個測量站位，合理分布每臺激光跟蹤儀的測量范圍。對目標(biāo)各個部分分別測量，再將所有測量數(shù)據(jù)對應(yīng)到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。目前企業(yè)對于大型結(jié)構(gòu)件的檢測多采用單臺激光跟蹤儀多站位轉(zhuǎn)站測量法[11]。

圖3 激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站測量原理

1.3 激光跟蹤儀測量參數(shù)

為滿足測試精度，采用美國自動精密工程公司（API），型號為AT403的激光跟蹤儀對車架進(jìn)行檢測，參數(shù)如下：

水平方向旋轉(zhuǎn)角度（°） ±360

豎直方向旋轉(zhuǎn)角度（°） ±145

測量里程（m）160

旋轉(zhuǎn)速度（°/s）18

角度精度（μm） ±15+6

測距分辨率（μm）0.1

測距精度（μm） ±10

測距重復(fù)性（μm） ±5

2 車架形位公差測量方案

2.1 準(zhǔn)備工作

（1）工件擺放：將車架放置在有一定空間（儀器可測量最遠(yuǎn)位置且無干涉）的位置。

（2）站點(diǎn)布局：在車架尾部布置Y個基座點(diǎn)（Y＞4），作為公共點(diǎn)，放置的時候形成一定的高差，盡量避免在同一平面（即Y1、Y2、Y3、Y4等分別在不同的平面）且基座均打上熱熔膠，保持位置穩(wěn)固性，從而保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

（3）儀器準(zhǔn)備：因車架屬于大型結(jié)構(gòu)件，儀器無法在同一位置對車架進(jìn)行全面檢測，所以布局兩處機(jī)位（位置1測完轉(zhuǎn)站至位置2）且放置在車架的后橋位置即可，如圖4。

圖4 車架檢測方案布局

2.2 測量步驟

（1）如圖4，在車架A側(cè)時（位置1時），分別在A1、A2平面上取P個點(diǎn)（P＞8）；在移動儀器之前，對公共點(diǎn)位置進(jìn)行測量。

（2）在車架B側(cè)時（位置2時），先對公共點(diǎn)的位置進(jìn)行測量，完成轉(zhuǎn)站。然后再分別在B1、B2平面上取P個點(diǎn)（P＞8）。

2.3 數(shù)據(jù)分析過程

（1）將采集的點(diǎn)通過最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，生成平面，A側(cè)平面A1、A2，B側(cè)平面B1、B2；通過A1，B1兩平面，生成中心平面AB1，通過A2，B2兩平面，生成中心平面AB2。

（2）根據(jù)擬合生成的平面，顯示每個面的平面度，以及四個面之間的平行度，如果平面度＜M且平行度小于N，則繼續(xù)測量分析，否則，測量車架需返修處理。

（3）通過生成中心平面，分別在其上生成質(zhì)點(diǎn)O1、O2中可測出每個質(zhì)點(diǎn)到另側(cè)平面的距離D1、D2，其最大數(shù)值即為前后中心的同軸度；如同軸度小于X，則測量車架合格，否則返修處理。方案流程如圖5：

圖5 形位公差檢測方案流程

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 檢測數(shù)據(jù)

車架形位公差設(shè)計要求簡圖如圖6，測量結(jié)果如表2，數(shù)據(jù)分析如圖7。

圖6 車架形位公差設(shè)計要求簡圖

表2 形位公差尺寸數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)表2及圖7的檢測結(jié)果可知，前橋左、右平面度分別為0.04 mm、0.05 mm，它們之間的平行度均為0.19 mm；后橋左、右平面度均為0.01 mm，它們之間的平行度分別為0.10 mm、0.09 mm；中間框架平面度為1.34 mm，前后橋中心同軸度為1.37 mm，以上測量尺寸，均滿足設(shè)計要求尺寸。

圖7 車架形位公差檢測分析

4 結(jié)論

目前，在大型結(jié)構(gòu)件或裝配件測量過程中，激光跟蹤儀正以高效率、高精度、便攜式的優(yōu)點(diǎn)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方法。根據(jù)測量任務(wù)特點(diǎn)，可靈活選取測量地點(diǎn)、測量方式，并可通過直觀的測量數(shù)據(jù)，完成幾何特性的分析。本文所采用的測量方式，其測量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高且用時少，即檢驗(yàn)了產(chǎn)品的質(zhì)量，又驗(yàn)證工裝的可靠性，對產(chǎn)品批量生產(chǎn)及后續(xù)公差測量具有指導(dǎo)意義。