一种设备基准快速调平方法与流程
本发明涉及测量设备技术领域，具体涉及一种设备基准快速调平方法。
背景技术：
在设备安装的过程中，经常要将设备的基准调整水平，这样方便设备后续组装。设备的基准通常为基线线、面，由反映设备基准的特征位置来表示，如机械精加工面。通过在特征位置上选取覆盖整个特征位置的测量点进行测量，对测量点进行几何构造得到设备基准，然后指导设备高度调节机构不断调整，从而使设备基准调平。
设备的调平是一个动态过程，某一个高程调节机构的调整会影响整个设备的水平状态，此时所有测量点的位置会发生变化。对于大型复杂的设备，特征位置基本覆盖了整个设备，其测量点很多，每进行一次调整，对所有测量点的更新测量会大大降低工作效率。同时，设备由多个高度调节机构共同支撑，高度调节机构会使高度调整产生相互耦合且其调节范围有限，因此现有的设备调平过程需要花费大量的时间。
技术实现要素：
为了解决现有技术中设备调平的方法调节过程慢且需要消耗大量的时间的技术问题，本申请提供一种设备基准快速调平方法。
一种设备基准快速调平方法,包括：
设备标定步骤，在设备上设置多个标定点，在设备上选取多个特征点，通过激光跟踪仪获取所述多个特征点的坐标，依据所述特征点的坐标拟合出设备基准并依此建立设备坐标系，获取所述标定点在所述设备坐标系下的理论坐标；
调整偏差获取步骤，采用激光跟踪仪测量所述标定点在水平坐标系下的实测坐标，将所述水平坐标系和设备坐标系关联后，根据每个标定点的实测坐标和理论坐标获取其对应的调整偏差；
调平步骤，根据所述调整偏差调整设备的对应的调节机构，直到所述调整偏差缩小至预设限差之内。
其中，所述在设备上选取多个特征点，通过激光跟踪仪获取所述多个特征点的坐标，依据所述特征点的坐标拟合出设备基准并依此建立设备坐标系包括：
在设备上选取多个特征点，依次将反射球放置在每个特征点处，通过激光跟踪仪获取每个特征点处的反射球的坐标，依据所述特征点处的反射球的坐标构造出设备的基准，依据所述基准建立三维直角坐标系作为设备坐标系。
其中，所述在设备上设置多个标定点包括：
在设备上选取多个标定点，使得所述标定点至少与调节机构一一对应，在所述标定点处固定靶标座，在所述靶标座上放置反射球。
其中，所述采用激光跟踪仪测量所述标定点在水平坐标系下的实测坐标包括：
将激光跟踪仪调至水平状态，然后测量所述标定点在激光跟踪仪水平坐标系下的坐标作为实测坐标。
其中，所述将所述水平坐标系和设备坐标系关联后，根据每个标定点的实测坐标和理论坐标获取其对应的调整偏差包括：
通过坐标转换的方法将所述水平坐标系下测量到的所述标定点的实测坐标转换到设备坐标系下，将每个标定点转换后的实测坐标与所述理论坐标相减，得到每个标定点的调整偏差。
其中，所述通过坐标转换的方法将所述水平坐标系下测量到的所述标定点的实测坐标转换到设备坐标系下，将每个标定点转换后的实测坐标与所述理论坐标相减，得到每个标定点的调整偏差包括：
(1)将每个标定点在水平坐标系测得实测坐标和设备坐标系下测得的理论坐标值带入下式中,通过最小二乘法求得坐标平移参数(δx,δy,δz)、尺度变化参数λ以及坐标转换旋转参数εz；
其中，(x′,y′,z′)表示任意一个标定点的理论坐标，(x,y,z)表示任意一个标定点的实测坐标，λ为尺度变化参数；
其中，εz为坐标变换旋转参数；
(2)将每个标定点的实测坐标和理论坐标代入下式中，求得每个标定点对应的调整偏差；
其中，vz表示某个标定点的调整偏差。
其中，所述在设备上选取的多个标定点，使得所述标定点至少与调节机构一一对应包括：至少在设备上每个调节机构竖直对应的方向上设置一个标定点，使得可以根据该标定点的调整偏差来调整该调节机构。
其中，所述标定点的个数大于或等于调节机构的数量。
其中，所述根据所述调整偏差调整设备的对应的调节机构，直到所述调整偏差缩小至预设限差之内，包括：依次根据每个标定点的调整偏差对于该标定点对应的调节机构进行调节，使得该标定点的调整偏差缩小至预设的限差之内，直到所有的调节机构都调节完成。
依据上述实施例的设备基准快速调平方法，首先对设备进行标定，建立设备坐标系，设置多个标定点，获取标定点在设备坐标系下的理论坐标以及在水平坐标系下的实测坐标后，通过坐标转换后，获取标定点的调整偏差，根据调整偏差指导调整设备进行调平，这样调平方法直观且有效，可以快速的将设备调平。
附图说明
图1为本申请的设备基准快速调平方法流程图。
图2为本申请实施例的待调平设备。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
以如图2所示的腔筒设备为例，其设备特征位置为腔筒及法兰定位孔，设备基准为腔筒圆柱轴线，以及法兰定位孔连线，需要将腔筒圆柱轴线和法兰定位孔的连线调整水平。
采用激光跟踪仪进行设备的调平，将激光跟踪仪水平架设在设备周边，使得激光跟踪仪可视腔筒及法兰定位孔。
1)将反射球依次紧贴在腔筒内壁，激光跟踪仪测量得到特征点坐标，使得特征点覆盖整个腔体。对所有腔筒测量点进行圆柱拟合，构造得到圆柱的轴线。
2)将反射球依次紧贴在腔筒左侧法兰面，激光跟踪仪测量得到特征点坐标，对所有左侧法兰面特征点进行平面拟合，构造得到左侧法兰平面。
3)将反射球依次紧贴在腔筒右侧法兰面，激光跟踪仪测量得到特征点坐标，对所有右侧法兰面特征点进行平面拟合，构造得到右侧法兰平面。
4)将腔筒圆柱的轴线分别与左侧法兰平面以及右侧法兰平面相交，得到腔筒圆柱左侧轴线点和右侧轴线点，计算这两个轴线点的高程坐标差值。
5)将反射球紧贴在法兰定位孔上，激光跟踪仪测量得到两个定位孔的坐标，计算这两个法兰定位孔的高程坐标差值。
6)调整高度调节机构，对于腔筒圆柱轴线调平，保持一个轴线点对应的高度调节机构不动，调整另一个轴线点对应的高度调节机构，激光跟踪仪实时监测高程变化，使得腔筒圆柱两个轴线点的高程坐标差值变小；对于法兰定位孔连线调平，保持一个法兰定位孔对应的高度调整机构不动，激光跟踪仪实时监测高程变化，调整另一个法兰定位孔对应的高度调节机构，使得两个法兰定位孔的高程坐标差值变小。
7)不断重复步骤1-6，使得高程坐标差值在限差之内，即完成腔筒设备基准的调平。
由此可见，设备的调平是一个动态过程，某一个高程调节机构的调整会影响整个设备的水平状态，此时所有测量点的位置会发生变化。对于大型复杂的设备，特征位置基本覆盖了整个设备，其测量点很多，如上述腔筒设备的腔筒，每进行一次调整，需要对腔筒上的测量点进行一次测量，不断得到更新后的腔筒圆柱轴线和法兰定位孔连线，这样会大大降低工作效率。
同时，设备由多个高度调节机构共同支撑，高度调节机构会使高度调整产生相互耦合且其调节范围有限。如上述腔筒设备的腔筒圆柱轴线调平，在调整一个轴线点对应的高度调节机构时，会导致另一个轴线点高低的变化，因此，需要合理的分配调整量至相应的高度调节机构。另外，上述腔筒设备需要将腔筒圆柱轴线和法兰定位孔连线同时调平，而对腔筒圆柱轴线的调整与法兰定位孔连线的调整也会相互影响，在调平时无法将两者的调整统一起来，导致反复的调整，调节过程慢且需要消耗大量的时间。
在发明实施例中，主要基于以下技术构思得到本申请的设备基准快速调平方法。
1、在调整过程中，为了方便、高效地对设备基准不断调平测量，通过设备标定的方法将设备的基准进行引出。设备标定采用激光跟踪仪进行，设备标定前需要在设备外部布置固定多个靶标座，用来吸附激光跟踪仪反射球，靶标座所代表的球心称为标定点。设备标定是采用激光跟踪仪测量代表设备基准的特征点的坐标，通过在特征点处放置反射球进行测量获取多个特征点的坐标，对测量点进行几何构造得到设备基准，以设备基准为参考建立三维直角坐标系，称为设备坐标系，在设备坐标系下获取标定点的三维坐标，称为理论坐标。通过设备标定，即建立设备基准与设备上标定点的空间位置关系，对设备基准的调平测量统一转换为对标定点的测量。通过水平状态下的激光跟踪仪对标定点进行测量，得到标定点在水平坐标系下的坐标作为实测值(也叫实测坐标)，将标定点的实测值与理论值的进行对比得到每个标定点的调整偏差，从而指导高程调节机构进行调整。
2、在设备外部布置固定多个靶标座时，为了方便、直观地指导相应的高度调节机构调整，使靶标座与高度调节机构一一对应，通常靶标座的数量等于或多于高度调节机构个数，并且靶标座的位置尽量大的覆盖整个设备并且在平面上大致与高度调节机构的位置相同。这样在得到每个标定点的调整偏差后，能够更加直观地指导对应的高程调节机构进行调整。
3、在标定点的实测值与理论值的对比中，由于实测值为仪器水平坐标系下的三维坐标，理论值为设备坐标系下的三维坐标，为了计算得到每个标定点的最优调整偏差，提出固定水平面的坐标拟合数据处理方法，将标定点的实测值向理论值拟合，在拟合的过程保持水平面固定。假设，标定点的实测值为(x,y,z)，标定点的理论值为(x′,y′,z′)，根据坐标转换的原理，得到坐标转换的数学模型为：
(δx,δy,δz)为坐标系平移参数，λ为尺度变化参数；r为坐标转换旋转矩阵，r＝r1(εx)·r2(εy)·r3(εz)，εx，εy，εz为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，
当进行固定水平面的坐标拟合时，使坐标系转换只绕z轴旋转，即εx＝0,εy＝0。上述坐标转换的数学模型就变为：
将所有标定点的实测值以及理论值代入上式，通过最小二乘解算得到坐标系平移参数(δx,δy,δz)，尺度变化参数λ；坐标转换旋转参数εz。
将标定点的实测值代入下式，从而计算得到每个标定点的高程最优调整偏差vz：
同时，经过坐标转换后，可以将激光跟踪仪对当前点的实测值通过上述参数进行转换，得到转换后的实测值，这样在后续的调整监视测量过程中，通过计算当前点转换后的实测值与所有标定点的理论值的距离，选择距离最小所对应的那个标定点，即实现了当前点与标定点的自动匹配，从而简便自动的实现当前标定点的实测值与理论值的一一对应，即可实时显示当前标定点的调整偏差。
实施例一：
请参考图1和图2，本实施例提供一种设备基准快速调平方法，该方法包括：
步骤101：设备标定步骤，在设备上设置多个标定点，在设备上选取多个特征点，通过激光跟踪仪获取多个特征点的坐标，依据特征点的坐标拟合出设备基准并依此建立设备坐标系，获取标定点在设备坐标系下的理论坐标；
步骤102：调整偏差获取步骤，采用激光跟踪仪测量标定点在水平坐标系下的实测坐标，将水平坐标系和设备坐标系关联后，根据每个标定点的实测坐标和理论坐标获取其对应的调整偏差；
步骤103：调平步骤，根据调整偏差调整设备的对应的调节机构，直到调整偏差缩小至预设限差之内。
依据本实施例的设备基准快速调平方法，首先对设备进行标定，建立设备坐标系，设置多个标定点，获取标定点在设备坐标系下的理论坐标以及在水平坐标系下的实测坐标后，通过坐标转换后，获取标定点的调整偏差，根据调整偏差指导调整设备进行调平，这样调平方法直观且有效，可以快速的将设备调平。
其中，在设备上选取多个特征点，通过激光跟踪仪获取多个特征点的坐标，依据特征点的坐标拟合出设备基准并依此建立设备坐标系包括：
根据设备的形状在设备的选取多个特征点，例如图2，本实施例为了调平如图2所示的圆柱筒以及固定在圆柱筒两端的法兰，则可以选取圆柱筒的中心轴线为基准，即在圆柱筒内壁上选取多个特征点，依次将反射球放置在每个特征点处，通过激光跟踪仪获取每个特征点处的反射球的坐标，依据特征点处的反射球的坐标构造出设备的基准，即构造成出圆柱筒的中心轴线，依据以中心轴线为一个水平坐标轴建立三维直角坐标系作为设备坐标系。
其中，在设备上设置多个标定点包括：在设备上选取多个标定点，使得标定点至少与调节机构一一对应，在标定点处固定靶标座，在靶标座上放置反射球，用于测量该标定点的坐标。为了方便、直观地指导相应的高度调节机构调整，使靶标座与高度调节机构一一对应，通常靶标座的数量等于或多于高度调节机构个数，并且靶标座的位置尽量大的覆盖整个设备并且在平面上大致与高度调节机构的位置相同，这样一个靶标座至少对应一个标定点。这样在得到每个标定点的调整偏差后，能够更加直观地指导对应的高程调节机构进行调整。
其中，采用激光跟踪仪测量标定点在水平坐标系下的实测坐标包括：首先将激光跟踪仪调至水平状态，然后测量标定点在激光跟踪仪水平坐标系下的坐标作为实测坐标。
其中，将水平坐标系和设备坐标系关联后，根据每个标定点的实测坐标和理论坐标获取其对应的调整偏差包括：
通过坐标转换的方法将水平坐标系下测量到的标定点的实测坐标转换到设备坐标系下，将每个标定点转换后的实测坐标与理论坐标相减，得到每个标定点的调整偏差。
其中，通过坐标转换的方法将所述水平坐标系下测量到的标定点的坐标转换到设备坐标系下，将每个标定点转换后的实测坐标与所述理论坐标相减，得到每个标定点的调整偏差具体包括：
(1)将每个标定点在水平坐标系测得实测坐标和设备坐标系下测得的理论坐标值带入下式中,通过最小二乘法求得坐标平移参数(δx,δy,δz)、尺度变化参数λ以及坐标转换旋转参数εz；
其中，(x′,y′,z′)表示任意一个标定点的理论坐标，(x,y,z)表示任意一个标定点的实测坐标，λ为尺度变化参数；
其中，εz为坐标变换旋转参数；
(3)将每个标定点的实测坐标和理论坐标代入下式中，求得每个标定点对应的调整偏差；
其中，vz表示某个标定点的调整偏差。
其中，在设备上选取的多个标定点，使得标定点至少与调节机构一一对应包括：至少在设备上每个调节机构竖直对应的方向上设置一个标定点，使得可以根据该标定点的调整偏差来调整该调节机构，通常靶标座的数量等于或多于高度调节机构个数，并且靶标座的位置尽量大的覆盖整个设备并且在平面上大致与高度调节机构的位置相同。
其中，根据所述调整偏差调整设备的对应的调节机构，直到调整偏差缩小至预设限差之内，包括：依次根据每个标定点的调整偏差对该标定点对应的调节机构进行调节，使得该标定点的调整偏差缩小至预设的限差之内，直到所有的调节机构都调节完成。这个过程可能需要重复几次，每次根据调整偏差调整调节机构后，都会出现新的调整偏差，继续根据新的调整偏差调整该调节机构，直到调整偏差缩小至预设限差之内。
下面以图2所示的腔筒设备调平为例对本申请的调平方法进一步进行说明。
首先，进行设备标定。将激光跟踪仪架设在设备周边，使得激光跟踪仪可视腔筒及法兰定位孔。
1)在圆柱筒内壁上选取多个特征点，将反射球依次紧贴在腔筒内壁的特征点处，采用激光跟踪仪测量得到点坐标，使得特征点覆盖整个腔体。对所有腔筒特征点进行圆柱拟合，构造得到圆柱的轴线。
2)选取法兰的定位孔为特征点，将反射球紧贴在法兰定位孔上，激光跟踪仪测量得到两个定位孔的坐标。
3)在圆柱筒上端设置六个靶标座，其中在四个角位置的靶标座在竖直方向上与高程调节机构对应，在圆柱筒轴向的中间位置处还设有两个靶标座，将反射球依次放置在靶标座上，激光跟踪仪测量得到各个标定点的坐标。
4)建立设备坐标系：以某一个定位孔坐标作为原点，以圆柱筒的中心轴线方向作为x轴，以两个定位孔的连线方向作为y轴，z轴垂直于xy平面。
5)在设备坐标系下，得到各个标定点的理论坐标(xi′,yi′,zi′)。
至此，设备标定结束。
然后，进行设备调平。将激光跟踪仪水平架设在设备周边，使得激光跟踪仪可视靶标座。
1)激光跟踪仪依次测量各个标定点，得到各个标定点在仪器水平坐标系下的实测坐标(xi,yi,zi)。
2)将每个标定点的理论坐标(x′,y′,z′)以及实测坐标(x,y,z)代入下式，通过最小二乘解算得到坐标系平移参数，尺度变化参数λ；坐标转换旋转参数εz。
将标定点的实测值代入下式，从而计算得到每个标定点的最优调整偏差vzi：
3)对设备调整进行监视测量。根据每个标定点的最优调整偏差vz，判断在预设限差之外的标定点，将激光跟踪仪的反射球放置在标定点上，激光跟踪仪对当前标定点进行实时测量；将该标定点实时测量的实测值
4)多次重复步骤3，求得每个标定点的调整偏差，根据该调整偏差，对每个标定点对应的调节机构进行大致的调节。
5)不断重复步骤1-4，使得所有标定点的最优调整偏差vzi在限差之内，即完成腔筒设备基准的调平。
本发明的快速调平方法和现有的方法相比，具有如下优点：
1、设备基准的表示更加统一方便。大型复杂设备的基准通常由多个特征位置表示，通过进行设备标定，将设备的基准引出到设备的标定点上，从而将设备基准统一转换为由标定点来表示。另外，由于设备为刚体，设备标定完成后，设备的标定点与设备基准为固定关系，不随设备的调整而变化，避免了设备调整后对特征位置的多次测量。
2、设备的调整指导更加直观。在设备上设置有标定点，即在设备外部布置固定有多个靶标座，靶标座与高度调节机构一一对应，通常靶标座的数量等于或多于高度调节机构个数，并且靶标座的位置尽量大的覆盖整个设备并且在平面上大致与高度调节机构的位置相同。这样在得到每个标定点的调整偏差后，能够更加直观地指导对应的高程调节机构进行调整。
3、设备的调整偏差最优化。在标定点的实测值与理论值的对比中，提出固定水平面的坐标拟合数据处理方法，将标定点的实测值向理论值拟合，在拟合的过程保持水平面固定，通过最小二乘拟合计算，从而得到每个标定点的高程最优调整偏差。
本申请的设备基准调平的流程，首先，进行设备的标定；然后进行设备调整偏差的计算；最后进行设备调整的监视测量。这一套设备基准调平的流程具有广泛适用性，适合采用激光跟踪仪等三坐标测量仪器进行设备测量的设备基准调平。
设备调平时的最优调整偏差的计算。在标定点的实测值与理论值的对比中，提出固定水平面的坐标拟合数据处理方法，将标定点的实测值向理论值拟合，在拟合的过程保持水平面固定，通过最小二乘拟合计算，从而得到每个标定点的高程最优调整偏差。同时，经过坐标转换后，可以将激光跟踪仪的实测值通过上述参数进行转换，得到转换后的实测值，这样在后续的调整监视测量过程中，通过计算转换后的实测值与理论值的距离，从而简便自动的实现当前标定点的实测值与理论值的一一对应，即可实时显示当前标定点的调整偏差。使得调整更加直观和快捷，可以将设备的基准快速的调平。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
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