激光跟蹤儀在采棉機車架制造中的應用研究

譚磁安

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

采棉機屬于技術復雜程度高的大型農機裝備[1-2]，其車架作為整機主體骨架結構，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，且考慮采棉機在打包過程中的平穩性，需對于中間框架上平面的平面度有一定要求。

為滿足設計要求，同時考慮制造效率，一般將三個部件組焊前分別機加工，然后通過工裝進行組焊，如圖1。車架屬于大型結構件，成品后檢測難度較大，尤其是形位公差尺寸的測量。目前，傳統測量主要是通過大型數控機床或者是采用大型三坐標對車架的形位公差尺寸進行檢測[3-5]，該方法效率低下，成本高，且對設備、空間位置、環境以及人員的技術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測量儀器，具有精確度高、操作簡單、移動便捷等特點，尤其對于大型結構件，可通過轉站實現多方位檢測。在機械制造、設備裝配和產品檢測等領域得到越來越廣泛的應用[6-8]。為解決車架傳統檢測的問題，本文提出應用激光跟蹤儀對其形位公差尺寸進行檢測。

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測量設備，它用激光干涉儀和先進的伺服控制技術來測量目標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測量系統，跟蹤儀的激光束、旋轉鏡和旋轉軸組成測量系統的三個軸，三軸交點即測量遠點，工作原理如圖2[10]。

圖2 激光跟蹤儀測量原理

靶球A點為被測點，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A的空間坐標；其中，L、α、β也稱作點A的球面坐標，其變化范圍為：

被測靶球A的空間坐標為：

1.2 激光跟蹤儀轉站

激光跟蹤儀轉站測量是指當測量目標由于幾何結構或者環境因素干擾導致測量光路中斷，以致使用一臺激光跟蹤儀無法獲得目標的所有信息。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。對目標各個部分分別測量，再將所有測量數據對應到統一坐標系下。目前企業對于大型結構件的檢測多采用單臺激光跟蹤儀多站位轉站測量法[11]。

圖3 激光跟蹤儀轉站測量原理

1.3 激光跟蹤儀測量參數

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行檢測，參數如下：

水平方向旋轉角度（°） ±360

豎直方向旋轉角度（°） ±145

測量里程（m）160

旋轉速度（°/s）18

角度精度（μm） ±15+6

測距分辨率（μm）0.1

測距精度（μm） ±10

測距重復性（μm） ±5

2 車架形位公差測量方案

2.1 準備工作

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

（2）站點布局：在車架尾部布置Y個基座點（Y＞4），作為公共點，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，保持位置穩固性，從而保證檢測數據的可靠性。

（3）儀器準備：因車架屬于大型結構件，儀器無法在同一位置對車架進行全面檢測，所以布局兩處機位（位置1測完轉站至位置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側時（位置1時），分別在A1、A2平面上取P個點（P＞8）；在移動儀器之前，對公共點位置進行測量。

（2）在車架B側時（位置2時），先對公共點的位置進行測量，完成轉站。然后再分別在B1、B2平面上取P個點（P＞8）。

2.3 數據分析過程

（1）將采集的點通過最小二乘法進行數據擬合，生成平面，A側平面A1、A2，B側平面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，分別在其上生成質點O1、O2中可測出每個質點到另側平面的距離D1、D2，其最大數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 數據分析

3.1 檢測數據

車架形位公差設計要求簡圖如圖6，測量結果如表2，數據分析如圖7。

圖6 車架形位公差設計要求簡圖

表2 形位公差尺寸數據

3.2 結果分析

根據表2及圖7的檢測結果可知，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，均滿足設計要求尺寸。

圖7 車架形位公差檢測分析

4 結論

目前，在大型結構件或裝配件測量過程中，激光跟蹤儀正以高效率、高精度、便攜式的優點逐步代替傳統測量方法。根據測量任務特點，可靈活選取測量地點、測量方式，并可通過直觀的測量數據，完成幾何特性的分析。本文所采用的測量方式，其測量結果準確、精度高且用時少，即檢驗了產品的質量，又驗證工裝的可靠性，對產品批量生產及后續公差測量具有指導意義。