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摘要：利用激光跟踪仪以及内腔高度尺寸补偿技术，研制了一款内腔直线度检测装置。该装置集激光准直技术、补偿技术、计算机技术等多学科为一体，实现了大长径比内腔直线度的高精度检测。结合实物内腔直线度测量工程实例，验证了测量方法的有效性，为工程应用提供了一种解决方案。
关键词：大长径比;内腔;直线度;激光跟踪仪、补偿技术
0 引言
对某型装置而言，内腔直线度是其核心指标，但因其内腔狭小、形状怪异、长径比大、内腔高度尺寸差异大，内腔直线度测量问题一直是工程应用中的难题。研究表明，大型机械零部件直线度检测至今仍是机械工业公认的技术难题
随着自动化和计算机技术的发展，为提高检测效率和精度，利用现代化信息技术设计先进的DG直线度测量仪在工程應用中应运而生[1]。近年来由于激光跟踪测量技术有着测量精度高、测量范围大、可动态测量、实时快速、便携等优点，在航天系统[2]设备研制、大型设备精密测量[3]等方面进行广泛应用，极大的促进了工程领域中检测精度和生产效率。但是目前针对DG直线度测量的研究主要是针对单DG，本文针对工程领域中的大长径比上下DG构成的内腔直线度测量问题，利用激光跟踪仪测量下DG直线度，并测量内腔高度尺寸，通过软件系统计算补偿，解决了大长径比、狭窄内腔的直线度测量问题，并在某型14m装置内腔上进行了测量验证。
1 检测系统检测原理
1.1 激光跟踪仪测量原理
某型装置内腔直线度为内腔实际轴线相对于理论轴线的距离，其内腔结构如图1所示，实际轴线指内腔各截面上下DG对称中心的连线，理论轴线为内腔首尾截面上下DG中心的连线。
建立装置内腔直角坐标系，以其中一端检测起始点为坐标原点O，以内腔理论轴线作为X轴，建立空间直角坐标系OXYZ，则内腔实际轴线上的点可以通过X、Y、Z坐标来表示。在给定的平面内，实际轴线相对于理论轴线的距离t1即为内腔竖直方向直线度，t2即为内腔水平方向直线度。
内腔的实际轴线为连续的平滑弧线，检测装置不可能测量实际轴线上所有点的坐标，只能检测实际轴线上的离散坐标。那么，要对平滑弧线进行离散采样，一般要求采样点的间隔相等并能够全面的代表实际弧线。显然，采样间隔的选择十分重要。为此，建立直线度弧线的模型重力载荷作用下的挠度曲线来分析直线度，间隔取为S=L/70（间隔200），其模型误差在4%范围内。
1.2 高度尺寸补偿原理
某型装置内腔高度尺寸差异较大，而内腔实际轴线位于高度尺寸中心，若要使激光跟踪仪的靶镜中心与高度尺寸中心重合，对检测系统的定位精度以及校准精度要求非常高，这极大的增加了检测的难度和成本。
装置内腔由相互对称的上下DG组成，上下DG表面均为连续的光滑曲面，内腔实际轴线可由下导轴线以及内腔高度尺寸的中心拟合而成，下DG轴线以及内腔高度尺寸可以分别进行测量，而且下DG轴线测量时保证靶镜中心与DG表面相对位置不变即可，无需保证靶镜中心与高度尺寸中心重合，对检测系统的定位精度以及校准精度要求大大降低，适合当前内腔直线度检测的需要。
测量时由激光跟踪仪输出采样点的坐标值，由量表输出对应采样点的高度尺寸，内腔水平方向直线度可根据激光跟踪仪输出的采样点坐标值计算得出;竖直方向直线度需要在计算的采样点竖直方向坐标值Zx的基础上，添加采样点对应的高度尺寸偏差ΔHx/2，得出经内腔高度尺寸补偿后的竖直方向轴线坐标值Zx-补偿。
2 检测系统总体设计
根据以上讨论，某型装置内腔直线度检测系统的总体设计如下：采用激光跟踪测量和高度尺寸补偿技术，将用于固定激光跟踪仪靶镜以及内腔高度尺寸检测的执行机构放置到一端内腔中，尾部安装行走机构，软件系统通过光缆控制行走机构实现执行机构采用点的步距以及内腔位置控制，同时收集执行机构检测的内腔高度数据，激光跟踪仪放置到执行机构前端，通过光缆与计算机连同，用于传输采样点坐标数据，最后软件系统根据内腔高度数据和采样点坐标数据，计算得出内腔直线度数值及对应曲线，从而完成内腔直线度的检测和结果输出。
3 试验结果与分析
使用内腔直线度检测系统检测的内腔坐标点数据、高度尺寸，生成的内腔直线度曲线、内腔高度尺寸曲线见图3、图4。
根据式（1）编制的软件计算分析，增加内腔高度尺寸补偿后的内腔竖直方向直线度曲线如图5。
综上，某型装置内腔水平方向直线度为0.66mm，竖直方向直线度为0.56mm。
4 结 论
本文针对大长径比内腔直线度测量问题，设计了一种利用激光跟踪仪测量下DG直线度并测量内腔高度尺寸，通过软件系统计算补偿的内腔直线度检测系统。该检测系统采用光机电一体化设计，实现了无损自动检测，检测系统方便、实用，极大地提高了检测效率，为大长径比内腔的直线度测量提供了一种解决方案，在实际工程测量中得到了验证。
参考文献
[1] 崔宇翔. 大型机床DG直线度测量仪的设计探讨[J]. 科技创新与应用， 2016， 000（007）：130-130.
[2] 陈新春， 王灿， 薛春阳. 基于PSD的细长杆直线度测量技术研究[J]. 工程机械， 2018， 49（4）： 27-32.
[3] 聂海滨. 基于激光跟踪仪的大型设备精密测量关键技术研究[D]. 2017.
武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084
关键词：大长径比;内腔;直线度;激光跟踪仪、补偿技术
0 引言
对某型装置而言，内腔直线度是其核心指标，但因其内腔狭小、形状怪异、长径比大、内腔高度尺寸差异大，内腔直线度测量问题一直是工程应用中的难题。研究表明，大型机械零部件直线度检测至今仍是机械工业公认的技术难题
随着自动化和计算机技术的发展，为提高检测效率和精度，利用现代化信息技术设计先进的DG直线度测量仪在工程應用中应运而生[1]。近年来由于激光跟踪测量技术有着测量精度高、测量范围大、可动态测量、实时快速、便携等优点，在航天系统[2]设备研制、大型设备精密测量[3]等方面进行广泛应用，极大的促进了工程领域中检测精度和生产效率。但是目前针对DG直线度测量的研究主要是针对单DG，本文针对工程领域中的大长径比上下DG构成的内腔直线度测量问题，利用激光跟踪仪测量下DG直线度，并测量内腔高度尺寸，通过软件系统计算补偿，解决了大长径比、狭窄内腔的直线度测量问题，并在某型14m装置内腔上进行了测量验证。
1 检测系统检测原理
1.1 激光跟踪仪测量原理
某型装置内腔直线度为内腔实际轴线相对于理论轴线的距离，其内腔结构如图1所示，实际轴线指内腔各截面上下DG对称中心的连线，理论轴线为内腔首尾截面上下DG中心的连线。
建立装置内腔直角坐标系，以其中一端检测起始点为坐标原点O，以内腔理论轴线作为X轴，建立空间直角坐标系OXYZ，则内腔实际轴线上的点可以通过X、Y、Z坐标来表示。在给定的平面内，实际轴线相对于理论轴线的距离t1即为内腔竖直方向直线度，t2即为内腔水平方向直线度。
内腔的实际轴线为连续的平滑弧线，检测装置不可能测量实际轴线上所有点的坐标，只能检测实际轴线上的离散坐标。那么，要对平滑弧线进行离散采样，一般要求采样点的间隔相等并能够全面的代表实际弧线。显然，采样间隔的选择十分重要。为此，建立直线度弧线的模型重力载荷作用下的挠度曲线来分析直线度，间隔取为S=L/70（间隔200），其模型误差在4%范围内。
1.2 高度尺寸补偿原理
某型装置内腔高度尺寸差异较大，而内腔实际轴线位于高度尺寸中心，若要使激光跟踪仪的靶镜中心与高度尺寸中心重合，对检测系统的定位精度以及校准精度要求非常高，这极大的增加了检测的难度和成本。
装置内腔由相互对称的上下DG组成，上下DG表面均为连续的光滑曲面，内腔实际轴线可由下导轴线以及内腔高度尺寸的中心拟合而成，下DG轴线以及内腔高度尺寸可以分别进行测量，而且下DG轴线测量时保证靶镜中心与DG表面相对位置不变即可，无需保证靶镜中心与高度尺寸中心重合，对检测系统的定位精度以及校准精度要求大大降低，适合当前内腔直线度检测的需要。
测量时由激光跟踪仪输出采样点的坐标值，由量表输出对应采样点的高度尺寸，内腔水平方向直线度可根据激光跟踪仪输出的采样点坐标值计算得出;竖直方向直线度需要在计算的采样点竖直方向坐标值Zx的基础上，添加采样点对应的高度尺寸偏差ΔHx/2，得出经内腔高度尺寸补偿后的竖直方向轴线坐标值Zx-补偿。
2 检测系统总体设计
根据以上讨论，某型装置内腔直线度检测系统的总体设计如下：采用激光跟踪测量和高度尺寸补偿技术，将用于固定激光跟踪仪靶镜以及内腔高度尺寸检测的执行机构放置到一端内腔中，尾部安装行走机构，软件系统通过光缆控制行走机构实现执行机构采用点的步距以及内腔位置控制，同时收集执行机构检测的内腔高度数据，激光跟踪仪放置到执行机构前端，通过光缆与计算机连同，用于传输采样点坐标数据，最后软件系统根据内腔高度数据和采样点坐标数据，计算得出内腔直线度数值及对应曲线，从而完成内腔直线度的检测和结果输出。
3 试验结果与分析
使用内腔直线度检测系统检测的内腔坐标点数据、高度尺寸，生成的内腔直线度曲线、内腔高度尺寸曲线见图3、图4。
根据式（1）编制的软件计算分析，增加内腔高度尺寸补偿后的内腔竖直方向直线度曲线如图5。
综上，某型装置内腔水平方向直线度为0.66mm，竖直方向直线度为0.56mm。
4 结 论
本文针对大长径比内腔直线度测量问题，设计了一种利用激光跟踪仪测量下DG直线度并测量内腔高度尺寸，通过软件系统计算补偿的内腔直线度检测系统。该检测系统采用光机电一体化设计，实现了无损自动检测，检测系统方便、实用，极大地提高了检测效率，为大长径比内腔的直线度测量提供了一种解决方案，在实际工程测量中得到了验证。
参考文献
[1] 崔宇翔. 大型机床DG直线度测量仪的设计探讨[J]. 科技创新与应用， 2016， 000（007）：130-130.
[2] 陈新春， 王灿， 薛春阳. 基于PSD的细长杆直线度测量技术研究[J]. 工程机械， 2018， 49（4）： 27-32.
[3] 聂海滨. 基于激光跟踪仪的大型设备精密测量关键技术研究[D]. 2017.
武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084