专利名称：钢索塔节段端面机加工前基准计算的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用三维激光跟踪测量仪对钢索塔节段进行测量，用测量数据处理程序软件对测量数据进行六维测量计算处理的方法，属钢索塔节段制造领域。
背景技术：
在国外桥梁钢索塔节段制造领域，端面加工传统的测量计算方法是，用钢卷尺测量并用划针划出节段两端口壁板上的8个中点，对节段进行控力支撑并将其调整至水平状态，经过均温后，用经纬仪、水平仪等光学测量仪对所划中点反复进行测量和修正，重新确定出新的8个中点，要求新确定的中点分别在节段的横桥和顺桥轴线面上，前后端口对应中点连线即为节段轴线，在此基础上用经纬仪以轴线为基准，经过3次返线，划出一端端面机加工线，用钢卷尺控制节段长度划出另一端端面加工线。在端面加工找正时，端面加工线和轴线是最重要的找正基准。传统测量计算方法的不足主要是作业过程复杂，效率较低，划线精度不高。根据从日本专家咨询的结果得知，用传统测量划计算线方法完成一个节段的测量划线作业需要2个工作日左右，不能满足桥梁钢索塔制造工程进度要求。另外，单从技术角度讲，传统测量划线方法完成直线索塔节段的测量计算是可以的，但桥梁索塔是曲线形索塔，传统测量计算方法如不改进是无法使用的。
发明内容
设计目的避免背景技术中的不足之处，采用三维激光跟踪测量仪对钢索塔节段跟踪测量计算的方法。
设计方案为了实现上述设计目的，在方法设计上桥梁钢索塔节段在其端面机加工完成前后各安排一次空间测量和基准标识。第一次有两个内容，一是划出端面机加工线作为两个端面粗加工找正基准，二是设置激光靶标作为第一个端面精加工找正基准；第二次的内容是在壁板上划出节段轴线和桥位安装测量标志。两次测量划线具体内容和方法如下(一)工件状态的控制由于工件温度场分布变化、测量作业环境温度变化、工件支撑点位置的不同、支撑反力大小的不同分布等因素会直接引起工件尺寸和形状的变化，为了尽量减小这些因素对测量的影响，保证测量结果的一致性和准确性，在两次空间测量和划线时均对工件状态按如下要求控制1、支撑反力要求支撑反力的不同组合会引起节段不同程度的扭曲变形，根据有限元计算分析和实际试验结果，只要支撑反力的大小按要求控制(见图1和式1、2所示)，节段的扭曲变形就能控制在可接受的范围之内。
式1|N1-N2|N1+N2≤0.05]]>式2|N3-N4|N3+N4≤0.05]]>2、支撑点位置要求支撑点位置的不同会引起节段不同程度的弯曲变形。用有限元分析方法对节段进行4点支撑的受力变形分析后的结论是，要使节段在平放支撑状态下和立放状态下两端面夹角一致，支撑点的位置必须按照计算结果布设。桥梁钢索塔节段的规格共有13种，对每一种规格的节段均进行了有限元分析，给出了明确的支撑点位置。
3、工件温度和作业环境温度要求工件温度场分布变化不仅会引起工件尺寸的变化，而且会引起工件形状的变化，而测量过程作业环境温度的变化又会引起工件温度场分布的变化。根据试验结果，按如下条件进行温度控制，就能控制它对测量精度的影响。①测量过程工件壁板与腹板温差不超过2℃；②测量过程作业环境温度变化不超过2℃。
(二)节段端面机加工前空间测量和划线1、空间测量用三维跟踪测量仪对节段端面轮廓上的特征点(图2)及壁板上的3个激光站标(图2中三个圆点标记)进行空间测量。测量完成后在计算机中用测量数据构造节段的三维数据模型表示实测数据模型(图2)。
2、轴线的计算根据设计图纸，在计算机中利用节段端面角点的理论数据构造理论节段的三维数据模型表示理论数据模型。用测量数据处理程序在同一坐标系中将理论节段数据模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型进行最小二乘法意义上的拟合，X、Y、z，θx，θy，θz表示实际模型与理论模型空间位置、姿态、差异变量，其数学模型f(x,y,z,θx,θy,θz)=Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2),]]>求解Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz，使其满足f(Δx,Δy,Δz,Δθx,Δθy,Δθz)=min(Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2)),]]>则，Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz表示对实际模型与理论模型进行最佳拟合时，实际模型需要调整的空间位置姿态参数。
式中x，y，z，θx，θy，θz为表示实测数据模型在坐标系中的位置姿态变量，当表示实测数据模型与表示理论数据模型的位置关系满足以上条件时，用表示理论数据模型的基准面代表表示实测数据模型的基准面；dx表示测点到横桥向基准面的距离；dy表示测点到顺桥向基准面的距离；dz表示测点到理论端面的距离。
3、划节段轴线和端面机加工线在节段理论模型表示理论数据模型与实际模型表示实测数据模型最小二乘法最佳拟合状态下，求出理论节段模型表示理论数据模型横桥和顺桥向轴心面与实际塔段数据模型表示实测数据模型的交线，根据计算结果用专用划线工装在工件壁板表面划出端面机加工线及节段轴线(基准面与壁板的交线)，这些线在端面粗加工时作找正基准用(图4)。
4、计算第一个端面精机加工找正参数在节段理论模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型最小二乘最佳拟合状态下，求出壁板上3个激光站标坐标值与理论节段横桥顺桥向轴心面及端面的空间关系(参数)，从而实现用三个激光站标的空间位置来代替工件的空间位置。第一个端面精加工时只要调整好三个激光站标与机床的位置关系，也就调整好了工件与机床的位置关系。
(三)端面机加工后空间测量和划线1、空间测量方法与端面机加工前空间测量划线基本相同，区别是不测量节段上固定的三个激光站标。
2、重划节段轴线方法与端面机加工前空间测量划线基本相同，区别是不划端面加工线。
3、节段桥位安装测量标志点设置根据钢索塔桥位安装时线形监控的要求，在节段表面用羊冲眼按图5布设标志点。为了桥位测量时能较快找到目标点，标志点上均用直径40mm的反光纸盖铁，反光纸中心有一小孔，将测量标志点羊冲眼露出。其技术方案钢索塔节段端面机加工前基准计算的方法，f(x,y,z,θx,θy,θz)=Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2),]]>求解Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz，使其满足f(Δx,Δy,Δz,Δθx,Δθy,Δθz)=min(Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2)),]]>则，Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz表示对实际模型与理论模型进行最佳拟合时，实际模型需要调整的空间位置姿态参数，式中x，y，z，θx，θy，θz为表示实测数据模型在坐标系中的位置姿态变量。
本发明与背景技术相比，在钢桥索塔节段制造工程中使用的是三维激光跟踪测量仪测量划线方法，同传统测量划线方法相比，不仅是使用了高精度的测量仪器，它还在轴线的确定及基准的设定方面明显有技术创新内容。本文中钢桥钢索塔节段测量划线方法是国际上在该领域在第一次应用高精度的激光跟踪测量技术和计算机处理技术综合测量系统。它的应用，不仅使测量划线精度明显提高，而且使测量划线时间缩短到2小时。
图1是钢索塔节段工件状态的控制示意图。
图2是节段端面轮廓上的特征点及壁板上的3个激光站标示意图。
图3是理论数据模型与实测数据模型拟合示意图。
图4是划节段轴线和端面机加工线示意图。
图5是节段桥位安装测量标志点设置示意图。
图6是用三维跟踪测量仪测量确定工件与机床的准确位置关系示意图。
图7是用三维跟踪测量仪对机床上的3个特征点进行测量示意图。
具体实施例方式实施例1参照附图1～5。钢索塔节段空间测量方法，(一)工件状态控制①支撑反力要求|N1-N2|N1+N2≤0.05,]]>式中，N1和N2表示支撑反力，N1-N2表示支撑反力差，N1+N2表示支撑反力和，|N3-N4|N3+N4≤0.05]]>式中，N3和N4表示支撑反力，N3-N4表示支撑反力差，N3+N4表示支撑反力和；②支撑点位置要求节段在平放支撑状态下和立放状态下两端面夹角一致，也就是说，钢索塔节段在平放支撑状下，两端面所产生的微变形与钢索塔节段立放支撑状态下，两端面所产生的微变形夹角一致。方法是用有限元分析方法找出支撑钢索塔节段支撑点的位置，确保钢索塔节段在平放支撑状态下和立放支撑状态下，其端面夹角的一致性；③工件温度和作业环境温度要求a、测量过程工件壁板与腹板温差不超过2℃，也就是说，钢索塔节段四周的壁板与位于钢索塔节段腔内的腹板温差在加工时不能超过2℃；b、测量过程作业环境温度变化不超过2℃，也就是说，钢索塔节段在测量的过程中，其环境温度变化不能超过所设定温度的±1℃。
(二)节段端面机加工前空间测量和划线①空间测量用三维激光跟踪测量仪对节段端面轮廓上的特征点及壁板上的3个激光站标进行空间测量，也就是说，在钢索塔节段端面轮廓上均匀布有3个或多个点、在钢索塔节段的壁板上先3个或多个激光站标(3个激光站标可以建立一个坐标系)，然后用三维激光跟踪测量仪对节段端面轮廓测量完成后的数据在计算机中用测量数据构造节段的三维数据模型表示实测数据模型；②轴线的计算在计算机中利用节段端面角点的理论数据构造理论节段的三维数据模型表示理论数据模型，用测量数据处理程序(MATLAB)在同一坐标系中将理论节段数据模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型进行最小二乘法意义上的拟合，X、Y、z，θx，θy，θz表示实际模型与理论模型空间位置、姿态、差异变量，其数学模型f(x,y,z,θx,θy,θz)=Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2),]]>求解Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz，使其满足f(Δx,Δy,Δz,Δθx,Δθy,Δθz)=min(Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2)),]]>则，Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz表示对实际模型与理论模型进行最佳拟合时，实际模型需要调整的空间位置姿态参数。
式中x，y，z，θx，θy，θz为表示实测数据模型在坐标系中的位置姿态变量，当表示实测数据模型与表示理论数据模型的位置关系满足以上条件时，用表示理论数据模型的基准面代表表示实测数据模型的基准面；dx表示测点到横桥向基准面的距离；dy表示测点到顺桥向基准面的距离；dz表示测点到理论端面的距离；n表示1、2、3、4、5、6……。
③划节段轴线和端面机加工线在节段理论模型表示理论数据模型与实际模型表示实测数据模型最小二乘法最佳拟合状态下，求出理论节段模型表示理论数据模型横桥和顺桥向轴心面与实际塔段数据模型表示实测数据模型的交线，根据计算结果用划线工装在工件壁板表面划出端面机加工线及节段轴线(基准面与壁板的交线)，这些线在端面粗加工时作找正基准用；④计算第一个端面精机加工找正参数在节段理论模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型最小二乘最佳拟合状态下，求出壁板上3个激光站标坐标值与理论节段横桥顺桥向轴心面及端面的空间关系(参数)，用三个激光站标的空间位置来代替工件(钢索塔节段)的空间位置，第一个端面精加工时只要调整好三个激光站标与机床的位置关系，也就调整好了工件与机床的位置关系，具体说，钢索塔节段端面机加工找正及定位方法是指参照附图6和7。
端面粗加工找正用数控液压定位系统对节段进行控力支撑，同时以节段端面机加工线为基准，调整节段空间姿态使其定位于正确的机加工位置。
第1个端面精加工找正1、将均温后待加工节段运至机床加工位置，并对钢索塔节段进行控力支撑；2、用三维跟踪测量仪对机床及节段壁板上的3个激光站标进行测量，对测量数据进行处理，确定出工件与机床准确的位置关系，同时也计算出工件位置的调整参数；3、用数控液压调整装置依据步骤2中的计算结果调整工件的姿态，并重复步骤2，直至节段第1个端面与机床加工平面的夹角达到要求；4、锁定定位装置，以保证节段空间姿态和位置的稳定性；第2个端面精加工找正1、先将节段运至机床加工位置，使第2个端面面向机床，并用数控液压支撑定位系统对工件进行控力支撑；2、用三维跟踪测量仪对机床上的3个特征点进行测量，建立机床坐标系；3、用三维跟踪测量仪在机床坐标系中对已完成机加工的第一个端面进行空间测量，用计算机程序对测量结果进行处理，将处理结果和精度管理所确定的修正值进行对比，确定出工件姿态应调整的角度α角和β角，然后用数控液压支撑定位系统先将工件绕x轴旋转α角，再绕y轴旋转β角，使已机加工的下端面法向向量与机床坐标系yz面平行、与xy面达到设计所要求的角值；4、用三维跟踪测量仪复核端面1在机床坐标系中的位置，完成端面2的机加工测量定位作业。
④计算第一个端面精机加工找正参数在节段理论模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型最小二乘最佳拟合状态下，求出壁板上3个激光站标坐标值与理论节段横桥顺桥向轴心面及端面的空间关系(参数)，用三个激光站标的空间位置来代替工件的空间位置，第一个端面精加工时只要调整好三个激光站标与机床的位置关系，也就调整好了工件与机床的位置关系；(二)端面机加工后空间测量和划线①空间测量用三维激光跟踪测量仪对节段端面轮廓上的特征点进行空间测量，测量完成后的数据在计算机中用测量数据构造节段的三维数据模型表示实测数据模型；②重划节段轴线在节段理论模型表示理论数据模型与实际模型表示实测数据模型最小二乘最佳拟合状态下，求出理论节段模型表示理论数据模型横桥和顺桥向轴心面与实际塔段数据模型表示实测数据模型的交线；③节段桥位安装测量标志点设置根据钢索塔桥位安装时线形监控的要求，在节段表面用羊冲眼布设标志点，为了桥位测量时能较快找到目标点，标志点上均用直径40mm的反光纸盖铁，反光纸中心有一小孔，将测量标志点羊冲眼露出。
需要理解到的是上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明的简单说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.钢索塔节段端面机加工前基准计算的方法，其特征是f(x,y,z,θx,θy,θz)=Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2),]]>求解Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz，使其满足f(Δx,Δy,Δz,Δθx,Δθy,Δθz)=min(Σi=1n(dxi2+dyi2+dzi2)),]]>则，Δx，Δy，Δz，Δθx，Δθy，Δθz表示对实际模型与理论模型进行最佳拟合时，实际模型需要调整的空间位置姿态参数，式中x，y，z，θx，θy，θz为表示实测数据模型在坐标系中的位置姿态变量，dx表示测点到横桥向基准面的距离；dy表示测点到顺桥向基准面的距离；dz表示测点到理论端面的距离。
全文摘要
本发明涉及一种采用三维激光跟踪测量仪对钢索塔节段进行测量，用测量数据处理程序软件对测量数据进行六维测量计算处理的方法，在计算机中利用节段端面角点的理论数据构造理论节段的三维数据模型表示理论数据模型，用测量数据处理程序(MATLAB)在同一坐标系中将理论节段数据模型表示理论数据模型与实际节段数据模型表示实测数据模型进行最小二乘法意义上的拟合。优点在钢桥索塔节段制造工程中使用的是三维激光跟踪测量仪测量划线计算的方法，同传统测量划线计算方法相比，不仅是使用了高精度的测量仪器，它还在轴线的确定及基准的设定方面明显有技术创新内容，是国际上在该领域在第一次应用高精度的激光跟踪测量技术和计算机处理技术综合测量系统。它的应用，不仅使测量划线精度明显提高，而且使测量划线时间缩短到2小时。
文档编号G01B11/00GK1869586SQ200610087610
公开日2006年11月29日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者李毅, 吉敏廷, 张忠虎, 秦博龙 申请人:中铁宝桥股份有限公司