王大勇
中国水利水电第三工程局有限公司制造安装分局 陕西 西安 710032
摘要：水轮发电机组检修项目在检修工作开展中，有检修内容复杂以及任务量大的特征，在水轮发电机组检修过程中会涉及多个方面的技术要求。需要水电站工作人员能够加强对检修成本控制的重视力度，对现有的水轮发电机组检修项目进行科学的组织与规划。而激光测量技术目前已广泛应用于航天、航空、造船、机械加工等精密工业测量领域，但在水电行业的应用较少，特别是在水轮发电机组安装、检修中涉及面少，大多在简单的测距等方面，为了充分利用激光测量技术，促进机组检修与安装技术的发展，本文对激光跟踪仪在水轮发电机组检修中的应用的可行性进行研究。
关键词：激光跟踪仪；水轮发电机组；机组检修
1水轮发电机组控制标准及激光跟踪仪概述
1.1水轮发电机组控制标准
在进行水轮发电机组检修成本的控制过程中，需要遵循以下标准进行：（1）借助于检修合同开展成本控制工作，要求我国水电企业能够将合同中的检修成本，作为水轮发电机组检修项目工作开展的重要标准与依据，应在检修合同标准基础上，将合同价作为检修工作的限制成本价格。（2）需要结合企业内编制的实物消耗定额，作为重要的成本控制标准，但在编制实物过程中，需要耗费大量的人力物力，易导致管理成本进一步增加。（3）在水轮发电机组的检修工作中，需要按照预算定额进行工作，且需要将该预算定额作为重要的控制标准。
1.2激光跟踪仪测量原理
激光跟踪仪是目前应用最广泛的大尺寸测量设备，具有操作简单，测量精度高的特点。激光测量速度快，无需使用大型工装，测量数据显示直观，精度较高，较适用于水轮发电机检修过程，可大大提高工作效率。它集激光干涉测距技术，光电检测技术，精密机械技术，计算机及控制技术于一体，可对空间目标进行跟踪并测量三维坐标。激光跟踪仪主要由跟踪头、目标反射镜、控制器和测量软件组成。其测量原理如图1所示。跟踪仪为一个球坐标测量系统，通过两个高精度码盘和干涉测距模块分别获取测量目标的水平角，俯仰角和距离信息。核心的激光干涉测距是以跟踪头中心为原点的球坐标系中的增量码测量系统。基本原理是跟踪头发出激光对目标发射器进行跟踪，通过仪器的双轴测角系统及激光干涉测距系统确定目标反射器在球坐标中的空间坐标，通过仪器自身的校准参数和气象传感器对内部系统误差和环境误差进行校正补偿，从而得到目标的精确空间位置。
图1激光跟踪仪测量示意图
1.3测量控制网的建立
建立全局坐标系，以测量起始位置为坐标系原点，大地水平的法矢量方向为Z轴方向，铁轨或者桥梁的铺设方向为X轴方向，Y轴根据右手法则确定。根据全站仪和激光跟踪仪的测量范围将测量控制网分成三个等级:第一等级距离为每段3000m;第二等级距离为每段600m;第三等级距离为每段60m。在测量过程中，每一级的距离测量长度逐渐缩短，测量点密度逐级加大。先完成的高等级测量数据，作为低一级测量的数据运算初值，并在迭代运算中起到控制作用。结合测量仪器的特性，在不超过60m的测量范围内使用激光跟踪仪作为测量工具，超过60m测量范围时，使用电子全站仪进行距离测量[1]。即第一级，第二级控制网由全站仪测量，第三级控制网由激光跟踪仪测量。
2测量试验
研究小组邀请了徕卡测量系统的技术人员在葛洲坝电站检修现场进行测量试验，并将测量结果同现场量具测量结果进行对比分析。
2．1下压指高程测量
通过测量每个点的位置建立其空间坐标，利用其空间坐标可以计算出高程，测量时以1号压指为基准点，再测量另外9个压指的高程，将结果和水准仪测量结果进行对比[2]。激光跟踪仪与水准仪测量值平均差值0．01mm，最大差值0．23mm，测量偏差在允许范围内，测量结果有效。
2.2大等分定位筋测量
现场测量大等分定位筋半径采用的是测圆架与内径千分尺结合的方式，激光跟踪仪测量是先测量定子测圆架中心柱外径找出中心柱中心，然后以定子测圆架中心柱中心为o点建立o－xyz坐标系，最后在该坐标系中测量定位筋半径数据。激光测量数据与测圆架比偏小，最大偏差为0．6248mm，最小偏差为0．1583mm，平均差值为0．4129mm，安装技术要求半径测量偏差≯0．05mm，测量数据无效。
2．3转子磁轭半径测量
转子磁轭直径较大(大于14m)，传统测量采用测圆架、内径千分尺及钢琴线结合测量，先用内径千分尺和钢琴线测量一个点的绝对半径，然后用测圆架测量其他点相对于该点的半径[3]。激光跟踪仪对转子磁轭外径进行测量，先测量转子内镗口空间坐标，计算拟合出转子中心，然后以此中心坐标为基准测量磁轭半径，由于跟踪仪不能一次对所有位置进行测量，总共需要转站3次。激光测量值和传统测量相比，最大偏差－3．3857mm，最小偏差0．0001mm，平均偏差0．9147mm。其中第一段偏差很小，最大偏差－0．3749mm，平均偏差0．0948mm，第二段最大偏差2．098mm，平均偏差1．326mm，第三段最大偏差－3．3857mm，平均偏差1．4572mm。激光跟踪仪测量磁轭半径，在不需要转站的情况下误差较小，大约在0．1mm左右，但经过转站后，由于跟踪仪移动位置，平均测量误差骤然增大，误差超过1mm，不满足技术要求精度，测量无效。
2．4导轴承轴领直径测量
激光跟踪仪通过在轴领外侧测量一系列点，通过计算机拟合计算出圆柱面的半径。两次测量数据均在参考值范围内，测量偏差值0．17mm，测量数据有效。
3测量效率对比
将传统测量方法与激光跟踪仪测量所需工时进行对比。在一些测量工作量很大以及一些需要专用工装测量的项目，如转子圆度和定子半径等，激光测量测量效率高，但在一些简单的测量上，如中心柱外径和铜瓦内径等，由于跟踪仪测量之前需要调试，所以效率没有明显的提高[4]。因此，激光跟踪仪在测量复杂(传统测量需要专用工装辅助)、大规模重复性测量时，测量效率很高，但在一些简单、测量量不大的工作中，测量效率相差不大。
结束语：
在项目的研究过程中，通过对激光测量和激光跟踪仪的相关技术研究和在检修现场的实际试验，得出以下结论:1)激光跟踪仪可以运用于检修现场高程测量，如下压指高程测量、风闸高程测量、转轮高程测量、推力头高程测量等;2)利用激光跟踪仪可以测量小尺寸部件(直径小于3m)尺寸，比如轴领之间、铜瓦直径等;3)激光跟踪仪暂时无法满足范围很大(直径10m左右)并且测量精度要求很高(≯0．05mm)的测量，比如检修过程中的定位筋半径、垂直度、定位筋弦距测量等情况;4)激光跟踪仪转站后测量误差急剧增大，无法满足直径较大(大于10m)并且测量精度要求高(≯0．05mm)的测量，比如转子圆度、半径;5)激光测量速度快，无需使用大型工装，测量数据显示直观，精度较高，在水轮发电机检修过程中适用情况多，可以大大提高工作效率。
参考文献：
[1]李新,茅晨,马涛,唐迅捷.利用Leica激光跟踪仪对工业机器人现场标定的方法[J].计量技术,2019(11):64-68.
[2]李辉,刘巍,张洋,张仁伟,周志龙,贾振元.激光跟踪仪多基站转站精度模型与误差补偿[J].光学精密工程,2019,27(04):771-783.
[3]杨小龙,钟思阳.加强大型水电站水轮发电机组检修现场管理研究[J].中国设备工程,2019(05):68-70.
[4]刘湛基,王晗,陈桪,夏远祥,杜泽峰,李沅时,林家平.机器人与激光跟踪仪的坐标系转换方法研究[J].中国测试,2017,43(11):102-107.