激光跟踪仪在采棉机车架制造中的应用研究
时间：2023-04-08 17:10:05 来源：千叶帆 本文已影响人
谭磁安
（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410100）
采棉机属于技术复杂程度高的大型农机装备[1-2]，其车架作为整机主体骨架结构，能有效为其他各部件提供安装支撑。车架通常由前桥组件、后桥组件和中间框架三个部分组成，为保证采棉机在采摘过程中轮胎阻力小且车身受力均匀，要对前后桥的中心重合度有一定要求，且考虑采棉机在打包过程中的平稳性，需对于中间框架上平面的平面度有一定要求。
为满足设计要求，同时考虑制造效率，一般将三个部件组焊前分别机加工，然后通过工装进行组焊，如图1。车架属于大型结构件，成品后检测难度较大，尤其是形位公差尺寸的测量。目前，传统测量主要是通过大型数控机床或者是采用大型三坐标对车架的形位公差尺寸进行检测[3-5]，该方法效率低下，成本高，且对设备、空间位置、环境以及人员的技术水平都有着较高的要求。
图1 车架制造三维模型
激光跟踪仪作为一种可携带式的大尺寸空间坐标测量仪器，具有精确度高、操作简单、移动便捷等特点，尤其对于大型结构件，可通过转站实现多方位检测。在机械制造、设备装配和产品检测等领域得到越来越广泛的应用[6-8]。为解决车架传统检测的问题，本文提出应用激光跟踪仪对其形位公差尺寸进行检测。
1.1 测量原理
激光跟踪仪是一种精密空间坐标测量设备，它用激光干涉仪和先进的伺服控制技术来测量目标反射靶球和跟踪仪的相对位置[9]。激光跟踪仪和测量靶球形成一个球坐标测量系统，跟踪仪的激光束、旋转镜和旋转轴组成测量系统的三个轴，三轴交点即测量远点，工作原理如图2[10]。
图2 激光跟踪仪测量原理
靶球A点为被测点，通过测量空间距离L和两个方位角α与β，即可确定被测点A的空间坐标；
其中，L、α、β也称作点A的球面坐标，其变化范围为：
被测靶球A的空间坐标为：
1.2 激光跟踪仪转站
激光跟踪仪转站测量是指当测量目标由于几何结构或者环境因素干扰导致测量光路中断，以致使用一台激光跟踪仪无法获得目标的所有信息。针对此种情况，利用多台激光跟踪仪或者单台激光跟踪仪多个测量站位，合理分布每台激光跟踪仪的测量范围。对目标各个部分分别测量，再将所有测量数据对应到统一坐标系下。目前企业对于大型结构件的检测多采用单台激光跟踪仪多站位转站测量法[11]。
图3 激光跟踪仪转站测量原理
1.3 激光跟踪仪测量参数
为满足测试精度，采用美国自动精密工程公司（API），型号为AT403的激光跟踪仪对车架进行检测，参数如下：
水平方向旋转角度（°） ±360
竖直方向旋转角度（°） ±145
测量里程（m）160
旋转速度（°/s）18
角度精度（μm） ±15+6
测距分辨率（μm）0.1
测距精度（μm） ±10
测距重复性（μm） ±5
2.1 准备工作
（1）工件摆放：将车架放置在有一定空间（仪器可测量最远位置且无干涉）的位置。
（2）站点布局：在车架尾部布置Y个基座点（Y＞4），作为公共点，放置的时候形成一定的高差，尽量避免在同一平面（即Y1、Y2、Y3、Y4等分别在不同的平面）且基座均打上热熔胶，保持位置稳固性，从而保证检测数据的可靠性。
（3）仪器准备：因车架属于大型结构件，仪器无法在同一位置对车架进行全面检测，所以布局两处机位（位置1测完转站至位置2）且放置在车架的后桥位置即可，如图4。
图4 车架检测方案布局
2.2 测量步骤
（1）如图4，在车架A侧时（位置1时），分别在A1、A2平面上取P个点（P＞8）；
在移动仪器之前，对公共点位置进行测量。
（2）在车架B侧时（位置2时），先对公共点的位置进行测量，完成转站。然后再分别在B1、B2平面上取P个点（P＞8）。
2.3 数据分析过程
（1）将采集的点通过最小二乘法进行数据拟合，生成平面，A侧平面A1、A2，B侧平面B1、B2；
通过A1，B1两平面，生成中心平面AB1，通过A2，B2两平面，生成中心平面AB2。
（2）根据拟合生成的平面，显示每个面的平面度，以及四个面之间的平行度，如果平面度＜M且平行度小于N，则继续测量分析，否则，测量车架需返修处理。
（3）通过生成中心平面，分别在其上生成质点O1、O2中可测出每个质点到另侧平面的距离D1、D2，其最大数值即为前后中心的同轴度；
如同轴度小于X，则测量车架合格，否则返修处理。方案流程如图5：
图5 形位公差检测方案流程
3.1 检测数据
车架形位公差设计要求简图如图6，测量结果如表2，数据分析如图7。
图6 车架形位公差设计要求简图
表2 形位公差尺寸数据
3.2 结果分析
根据表2及图7的检测结果可知，前桥左、右平面度分别为0.04 mm、0.05 mm，它们之间的平行度均为0.19 mm；
后桥左、右平面度均为0.01 mm，它们之间的平行度分别为0.10 mm、0.09 mm；
中间框架平面度为1.34 mm，前后桥中心同轴度为1.37 mm，以上测量尺寸，均满足设计要求尺寸。
图7 车架形位公差检测分析
目前，在大型结构件或装配件测量过程中，激光跟踪仪正以高效率、高精度、便携式的优点逐步代替传统测量方法。根据测量任务特点，可灵活选取测量地点、测量方式，并可通过直观的测量数据，完成几何特性的分析。本文所采用的测量方式，其测量结果准确、精度高且用时少，即检验了产品的质量，又验证工装的可靠性，对产品批量生产及后续公差测量具有指导意义。
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