基于激光跟踪技术的大尺寸水轮发电机定子安装测量方法与流程

本发明属于金属结构及组件的精密安装测量领域，具体涉及一种基于激光跟踪技术的大尺寸水轮发电机定子安装测量方法，应用于大尺寸水轮发电机安装与检测精密测量中。

背景技术：

目前，激光跟踪仪越来越广泛地应用于工业机械设备制造安装与检测工作中，在我国较多的应用于飞机制造、船舶制造等大型结构的生产、安装过程中，但在水电行业的应用还较少，应用于水电机组安装中尚无前例。我们引进leicaat402激光跟踪仪（测量标称精度±(15μm+6μm/m）），利用它的高精度优势，全面应用于水轮发电机组定子安装测量中，取得了很好的效果。

由于水电机组定子安装精度要求很高，测量放样的点位精度要求小于0.1mm。传统的定子安装控制精度的测量手段是围绕测圆架展开的，测圆架一是加工和安装精度要求高；二是体型庞大，安装与调校费时费工；三是测量效率低且精度控制难度大。而激光跟踪仪体积小，作业空间比较随意，测量速度快，测量精度高且容易确保，人力物力消耗少，有较明显的经济效益。

针对定子安装，利用激光跟踪仪配合自制工件和结合自主开发的测量程序对定子支架的组圆、拼装、焊接、配套部件以及上环板、下环板进行了放样测量，对安装过程中定子的圆度、半径、平整度、垂直度等多项安装指标进行了检测测量，取得了良好的效果。

技术实现要素：

本发明的目的是使用激光跟踪仪在大尺寸水轮发电机组安装中发挥其优势，简化传统测量流程，采用新技术、新方法，提高大尺寸水轮发电机组精密安装的工作效率。

为了实现上述的技术特征，本发明所采用的技术特征是：基于激光跟踪技术的大尺寸水轮发电机定子安装测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

step1：布测测量控制网；

step2：研制测量辅助工装；

step3：编制测量程序；

step4：实施测量方法。

所述step1中的具体步骤为：

1）控制网点设计，由于定子安装工作面涉及到水平与垂直空间，这就要求测量控制网需满足安装过程中不同位置仪器的架设；根据多次试验数据计算和现场踏勘安装部位，布设12个环形布置的测量基准点作为测量控制网的基础控制点，且满足在实际测量中每次架站要保证同时观测到至少4个控制点，且有在空间的延伸性，保证在激光跟踪仪合适的精度测程内；

2）埋设控制点，在定子的安装范围内，选择视线较好、不易被施工破坏且基础稳固的地方布设控制点，围绕安装间基础均匀布置12个控制点位，再将自主设计的钢结构靶球基座作为控制点直接埋设于安装间基础上或者与安装间基础预留钢板焊接；

3）控制网测量，利用激光跟踪仪的高精度测量技术，一次设站，并同时测量12个控制点，将每次测站作为一组测量数据，通过多次测量得到不少于6组测量数据，利用sa空间分析软件（spatialanalyzer）对多组数据进行统一空间不确定性分析得到控制点平差后的统一坐标系统作为高精度测量控制网；

4）施工测量系统建立，将高精度测量控制网转化至现场定子安装系统中，即指定新的坐标原点和起算方向；其转化后坐标原点为定子安装中心，起算方位为定子支架加工件上已给出的+y方向，此时，已经建立一套高精度的施工控制网，满足安装过程的需要。

所述step2中的具体步骤为：

根据现场具体的测量要求，研制了多种测量辅助工具，这些辅助工具很大程度上解决了机关跟踪仪单点放样难，放样速度慢的问题，其中一种单点放样工具，适用于水平面且精度不是很高的情况下，单点精度0.2mm至0.5mm，其作业速度较快，操作简单。

所述step3中的具体步骤为：

根据现场具体的要求，在sa软件的基础上对其进行二次开发，编制适合现场作业的mp测量程序（measureplan），它可以配合计算机，控制激光跟踪仪进行自动测量，并且对测量数据进行实时处理，现场给出测量结果。

所述step4中的具体步骤为：

1）定子安装前期进行的工作，包括定子支架的就位、组装、拼接、组圆、调平、焊接和检测工作，主要任务就是精确的测量其上、下环板以及支墩和中间环板的圆度、平整度等参数；具体操作方法类似，均使用激光跟踪仪配合测量靶球直接接触被测表面，结合mp程序测量相关数据，同时分析数据的偏差，供施工人员使用；

2）定子支架下环板、上环板的穿心螺杆孔孔位放样，在需要放样的部位架设仪器，建立起安装测量坐标系统，导入所有放样点坐标文件，结合预先编制好的mp放样程序，使用自主研制的单点测量基座对设计图上的孔位进行放样，可实现孔位自动定位、快速测量、实时显示与实测坐标差值来准确放样；

3）定子构件安装中进行的下压指、铁芯叠片、定位筋等关键组件的精确定位与验收测量，由于安装的不断跟进，对控制点的遮挡严重，此时需要建立新的控制网络，即可从基础控制网使用激光跟踪仪进行引测，作为局部部位的二级控制点，此时、主要为相关组件的检测工作，利用预先编制的mp检测程序进行自动化测量，实时给出部件的差值，以便调整；

4）安装完铁芯叠片后的形体检测测量工作，检测叠片后整个形体的圆度及垂直度指标，保证整个安装在一个整体系统中，满足限差要求，使用跟踪仪配合软件可以边测量边显示测量点的半径、高度等信息。

所述钢结构靶球基座采用矩形基座，所述矩形基座通过焊接固定安装在埋设基础的预留钢板上，在矩形基座的中心加工有第一中心孔。

所述钢结构靶球基座采用圆柱形基座，所述圆柱形基座的中心加工有弧形中心孔，所述圆柱形基座通过黏胶粘结固定在埋设基础上。

所述单点放样工具它包括跟踪仪靶球和钢冲，所述跟踪仪靶球的圆球面和钢制底座的中心孔相配合并定位放置跟踪仪靶球，钢制底座的上端面边缘加工有倒角，在钢制底座的下端面绕其中心轴均布加工有多个安装孔，安装孔内部镶嵌有强力磁铁柱，在安装孔之间贯穿钢制底座的径向方向加工有对称布置的观察槽，观察槽的高度为钢制底座的二分之一，钢冲穿过钢制底座的中心孔，钢冲的端部加工有锥形端，钢冲与中心孔构成间隙配合。

所述定子下环板的下部内弧形面上安装有磁性靶球基座，所述磁性靶球基座上放置有跟踪仪靶球。

本发明有如下有益效果：

1、改变了传统定子安装的施工工序和施工方法，利用激光跟踪仪代替了测圆架进行现场测量，做到了测量速度快、精度高、效率高，大大节省了人力、物力投入，降低了成本。

2、以上这些测量任务中测量方式和手段大同小异，均以已经建立好的高精度控制网以基础，通过任意位置设站，采用不同的测量工具，选择相应的测量程序。工作完成的较为满意，满足精度要求，提高了作业效率。

3、本实例主要说明了激光跟踪仪测量技术在定子安装中应用，充分利用其短距离内测量精度高、速度快、操作简单的优势，配合独立开发的测量程序可以在定子安装过程中实现自动化观测、自动化数据采集、实时数据处理等自动化测量模式，提高了作业效率，降低了人力成本，简化了施工工序及施工流程，把传统机组安装、测量方法向工业数字化推进了一步，在机组安装、测量领域有着重要意义。

4、针对定子安装，利用激光跟踪仪配合自制工件和结合自主开发的测量程序对定子支架的组圆、拼装、焊接、配套部件以及上环板、下环板进行了放样测量，对安装过程中定子的圆度、半径、平整度、垂直度等多项安装指标进行了检测测量，取得了良好的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的第一种固定控制点基座--钢结构靶球基座的结构示意图。

图2为本发明的第二种固定控制点基座--钢结构靶球基座的结构示意图。

图中：埋设基础1、矩形基座2、第一中心孔3、圆柱形基座4、弧形中心孔5、黏胶6。

图3为本发明的单点放样工具的钢制底座与跟踪仪靶球配和使用的结构示意图。

图4为本发明的单点放样工具的钢制底座与钢冲配和使用的结构示意图。

图中：跟踪仪靶球7、钢制底座8、倒角9、中心孔10、观察槽11、安装孔12、锥形端13、钢冲14。

图5为本发明的运行中的mp测量程序界面图。

图6为本发明的定子下环板圆度检测中靶球安装结构示意图。

图中：定子下环板15、磁性靶球基座16、下部内弧形面17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施方式1：

如图1-基于激光跟踪技术的大尺寸水轮发电机定子安装测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：

step1：布测测量控制网；

step2：研制测量辅助工装；

step3：编制测量程序；

step4：实施测量方法。

所述step1中的具体步骤为：

1）控制网点设计，由于定子安装工作面涉及到水平与垂直空间，这就要求测量控制网需满足安装过程中不同位置仪器的架设；根据多次试验数据计算和现场踏勘安装部位，布设12个环形布置的测量基准点作为测量控制网的基础控制点，且满足在实际测量中每次架站要保证同时观测到至少4个控制点，且有在空间的延伸性，保证在激光跟踪仪合适的精度测程内；

2）埋设控制点，在定子的安装范围内，选择视线较好、不易被施工破坏且基础稳固的地方布设控制点，围绕安装间基础均匀布置12个控制点位，再将自主设计的钢结构靶球基座作为控制点直接埋设于安装间基础上或者与安装间基础预留钢板焊接；

3）控制网测量，利用激光跟踪仪的高精度测量技术，一次设站，并同时测量12个控制点，将每次测站作为一组测量数据，通过多次测量得到不少于6组测量数据，利用sa空间分析软件（spatialanalyzer）对多组数据进行统一空间不确定性分析得到控制点平差后的统一坐标系统作为高精度测量控制网；

4）施工测量系统建立，将高精度测量控制网转化至现场定子安装系统中，即指定新的坐标原点和起算方向；其转化后坐标原点为定子安装中心，起算方位为定子支架加工件上已给出的+y方向，此时，已经建立一套高精度的施工控制网，满足安装过程的需要。

所述step2中的具体步骤为：

根据现场具体的测量要求，研制了多种测量辅助工具，这些辅助工具很大程度上解决了机关跟踪仪单点放样难，放样速度慢的问题，其中一种单点放样工具，适用于水平面且精度不是很高的情况下，单点精度0.2mm至0.5mm，其作业速度较快，操作简单。

所述step3中的具体步骤为：

根据现场具体的要求，在sa软件的基础上对其进行二次开发，编制适合现场作业的mp测量程序（measureplan），它可以配合计算机，控制激光跟踪仪进行自动测量，并且对测量数据进行实时处理，现场给出测量结果。

所述step4中的具体步骤为：

1）定子安装前期进行的工作，包括定子支架的就位、组装、拼接、组圆、调平、焊接和检测工作，主要任务就是精确的测量其上、下环板以及支墩和中间环板的圆度、平整度等参数；具体操作方法类似，均使用激光跟踪仪配合测量靶球直接接触被测表面，结合mp程序测量相关数据，同时分析数据的偏差，供施工人员使用；

2）定子支架下环板、上环板的穿心螺杆孔孔位放样，在需要放样的部位架设仪器，建立起安装测量坐标系统，导入所有放样点坐标文件，结合预先编制好的mp放样程序，使用自主研制的单点测量基座对设计图上的孔位进行放样，可实现孔位自动定位、快速测量、实时显示与实测坐标差值来准确放样；

3）定子构件安装中进行的下压指、铁芯叠片、定位筋等关键组件的精确定位与验收测量，由于安装的不断跟进，对控制点的遮挡严重，此时需要建立新的控制网络，即可从基础控制网使用激光跟踪仪进行引测，作为局部部位的二级控制点，此时、主要为相关组件的检测工作，利用预先编制的mp检测程序进行自动化测量，实时给出部件的差值，以便调整；

4）安装完铁芯叠片后的形体检测测量工作，检测叠片后整个形体的圆度及垂直度指标，保证整个安装在一个整体系统中，满足限差要求，使用跟踪仪配合软件可以边测量边显示测量点的半径、高度等信息。

实施例2：

如图1，所述钢结构靶球基座采用矩形基座2，所述矩形基座2通过焊接固定安装在埋设基础1的预留钢板上，在矩形基座2的中心加工有第一中心孔3。埋设过程中，通过将矩形基座2焊接固定在埋设基础1的预留钢板上，具体测量过程中，将靶球放置于矩形基座2的第一中心孔3上。进而围绕安装间基础均匀布置12个控制点位。

实施例3：

如图2，所述钢结构靶球基座采用圆柱形基座4，所述圆柱形基座4的中心加工有弧形中心孔5，所述圆柱形基座4通过黏胶6粘结固定在埋设基础1上。

实施例4：

如图3、4，所述单点放样工具它包括跟踪仪靶球7和钢冲14，所述跟踪仪靶球7的圆球面和钢制底座8的中心孔10相配合并定位放置跟踪仪靶球7，钢制底座8的上端面边缘加工有倒角9，在钢制底座8的下端面绕其中心轴均布加工有多个安装孔12，安装孔12内部镶嵌有强力磁铁柱，在安装孔12之间贯穿钢制底座8的径向方向加工有对称布置的观察槽11，观察槽11的高度为钢制底座8的二分之一，钢冲14穿过钢制底座8的中心孔10，钢冲14的端部加工有锥形端13，钢冲14与中心孔10构成间隙配合。

具体使用过程中：

1、在测量或放样点位之前，工件的工作上表面应处于水平位置。

2、放样时，先将钢制底座在放样点位的大致位置，将跟踪仪靶球放在钢制底座内中心孔的上端，根据测量结果移动钢制底座，由于测量精度要求较高，在钢制底座离放样位置偏差值较小时，应缓慢挤动钢制底座，以克服磁力，使之精确定位，然后移开跟踪仪靶球，插入钢冲，再用小锤敲击钢冲，以标定最终点位。

3、测量工件上已有的冲点坐标时，将钢冲插入钢制底座，利用钢冲锥形端对准冲点，将钢制底座定位，并利用钢制底座保证钢冲处于竖直状态，通过观察槽检查锥形端位置，在光线不足时可使用手电筒照明，使之正确对准冲点，然后移开钢冲，放上跟踪仪靶球测量点位坐标。

本套工具的发明，为水平面上的点位测量与放样提供了一种解决方法，可以在保证必要精度的前提下有效的提高作业效率，扩展激光跟踪仪的适用范围，适用于水平面且精度不是很高的情况下，单点精度0.2mm至0.5mm，但是作业速度较快，操作简单。

实施例5：

如图5，通过在sa（spatialanalyzer）软件的基础上对其进行二次开发，编制适合现场作业的mp测量程序（measureplan），它可以配合计算机，控制激光跟踪仪进行自动测量，并且对测量数据进行实时处理，现场给出测量结果，大大的提高了作业效率，节省了人力物力的投入。

通过软件分析得出已知点方位角、实测点方位角、已知点半径和实测点半径，进而得出相应的角度差、半径差、坐标差和径向、横向差。

实施例7：

如图6，所述定子下环板15的下部内弧形面17上安装有磁性靶球基座16，所述磁性靶球基座16上放置有跟踪仪靶球7。

本发明改变了传统定子安装的施工工序和施工方法，利用激光跟踪仪代替了测圆架进行现场测量，做到了测量速度快、精度高、效率高，大大的节省的人力、物力投入，降低了时间成本，减少了测圆架安装、调试的繁琐。