400浮吊起重机械三维测量技术研究

400浮吊起重机械三维测量技术研究

设备制造在线测量技术“400吨浮吊”是国家三峡关键建设项目所需配备的一艘船浮式起重机设备。它是为350吨由输送通道波形终端设计和建造的主缸。我厂在承建过程中,遇到重大的测量技术难题,使建造生产陷入停顿。问题集中在“浮吊”的巨大起吊机械与船体接合部上。它是由一超大尺寸的三行星内齿轮付及一系列回转支承部件配合安装而总成。因此,形成了大量现场加工测量、定位安装监控、形位尺寸校准等在线测量技术。为确保三峡工期要求,厂指令迅速解决。一、项目1.上装配接合部结构“400t浮吊”整体负重起吊旋转的关键结构,可分为船体和起重机械两大部分(见图1)。船体部分包括:船体中央枢轴7、三星内齿圈节圆上的244个针销齿9、船体支承圆台12及下双排导轨5等组成的下装配接合部。起重机械部分包括:起吊支承转台2及与之作刚性连接的旋转中心轴8、3个行星驱动齿轮10、8组转台滚轴4、上双排导轨3等组成的上装配接合部。图1中1为起吊机械;6为吊臂绞座;11为船甲板。2.设计要求海淡行业或组织圆台,设计内容见表1根据“浮吊”设计要求,分析归纳出以下3个测量难点:(1)设计要求以船体中央枢轴的中心为基准,在船体支承圆台面上,精确地测量标注出三星内圆弧摆线齿轮的节圆,尺寸为ϕ14715.97h9。并以其为基准,再精确测量标注出下双排导轨的回转定位圆,尺寸为ϕ15715.97。两圆的同轴度要求小于0.08mm,圆跳动均要求小于0.5mm。否则,施工总成后,将导致内三星齿轮付和滚轮与导轨的卡滞,造成“浮吊”整体旋转功能的丧失。(2)设计要求起吊机械上的3个行星驱动齿轮与船体支承圆台上的244个内针销齿同时啮合,提出销齿在节圆上的244个分度弧为189.4737±0.55,换算成分度角误差为±15″。否则施工总成后,将因任意的一个行星驱动轮齿与任意一销齿卡滞,造成“浮吊”旋转驱动功能的丧失。(3)设计要求“浮吊”接合部中的一系列回转支承部件,如船体中央枢轴、起吊支承圆台、244个内销齿等,施工总成后的几何形位要素,均要在水平垂直的空间上。其水平垂直的相对误差为2mm/m;平面度的相对误差为1mm/m。否则,总成后的“浮吊”,在水流中负载起吊时,稳定性差,甚至会因重心偏移量过大而倾覆。3.研制光学尺寸校准装置目前,由于国内、外无现成的超大尺寸空间综合测量装置满足上述检测难点的需要,故立项研制超大三维测量校准的装置和方法。(1)研制三维机械光学式超大尺寸的测量装置。以期实现在船体支承圆台上的精确空间测量、标注内行星齿圈节圆和下双排导轨定位圆、各种加工安装中回转配合件的跟踪检控。(2)研制ϕ14715.97h9的尺寸校准装置,以期实现量值在水平垂直的空间中准确地传递。(3)构思244个针销齿在内齿圈节圆上精确分度的方法与计算。以期实现超大节圆尺寸的多齿精密分度,有效地控制其分度累积误差,充分满足内三行星齿轮付的正常啮合。二、研究表明1.开发原理(1)统一而与测量线条的传动链分离的研制原则在定轴测量的前题下,实现尺寸链与测量链统一而与测量划线的传动链分离的研制原则,以保证标准量值的准确传递。同时又能使划线、测量在可校准的前题下,准确地复现量值。(2)以siin80/42d为基准的不重合分度的二次分度程序a:在测量绘注的节圆πd上,先进行四分度圆,并以四分度弦长(sin108°/4·d)为弦距,组合标准尺寸,以节圆上标注点作为起始点,分别向该点两边分度,若最后在二分度圆上正好重合,即以所分度的四点为基准,进行程序b。若不重合,则根据不重合量的1/4作为尺寸的调整量,调整四分度弦长,再重新按上述方法进行二次分度……,直至重合于二分度圆为止,并以这次的四个分度点为基准,进行程序b。程序b:以(sin180°/244·d)为弦距,分别在四个分度弧上进行61个弦分度。若各分度弦的首尾均相交于程序a完成的四个分度点上,则分度完毕。若均不相交,则根据不重合量的1/61调整分度弦距,再重新分度。若四个分度点上的调整量均大于±0.55mm,即说明节圆直径不对,需重新标注节圆,再从头按程序分度。若四个分度点上的调整量大小不均,则需要重新进行四分度圆的分度,再按程序b进行分度,直至各分度弦的首尾相交于四个分度点为止。2.技术方案(1)棱光学东南角器测量分度台,定心精度为0.01mm;五等标准量块组,组合尺寸在8000mm时的误差为±0.054mm;五棱光学直角器,几何误差为±0.01mm/m;5块150×150的安平零级平扳,平面度误差为±0.001mm;框式水平仪,示值误差为±0.01mm/m;准直望远镜,在8000mm时的准直精度为±0.07……等。各器具相应分量的不确定度,能充分地满足节圆、分度、及各尺寸与形位要素的测量误差要求。(2)量块段分配及水平传递应用光学原理,将标准尺寸从空间水平垂直地传递到船体支承圆座面上。量块支承架及水平传递装置(见图2),实现标准尺寸水平传递。光学直角器支承架及垂直传递装置(见图3),实现水平光线转向垂直传递,并进行精确的尺寸标点。(3)测量传动分离(见图4)拟划线测量臂采用轻质铝合金型材,组成纵向扁方筋型结构,仅用压扳和紧固螺栓便可与测量转台上的标准心轴作刚性连结,这样拆卸方便,实现测量传动分离。拟旋转臂上的测量杆能在1m的范围调整,以便按支承圆台面上精确标注的节圆尺寸基准点,实施随机校准。又因接合部中一系列回转体的同轴度、圆度、跳动等尺寸和形位误差的要求,测量传动的精度应小于±0.17mm,故应用定轴测量的原则,确定在中央枢轴上设置测量转台,调校同轴后与枢轴作刚性连结,这样可减少“一次误差”,以保证传动时的定轴测量误差为±0.01mm。(4)精密线条提取规则(见图5)按弧弦分度法,在节圆上实施244个销齿孔位的精确分度。采用量块的组合,可实现分度不重合量的调整,控制累积分度误差。3.内齿圈范围检测第(1)方案的实施,充分应用了工厂现有的通用测量器具,减少项目的投入。第(2)方案的实施,通过研制的系统装置,实现了将标准尺寸从空间水平垂直地准确传递到船体支承圆台面上,得到设计、监理、船东、船检、分承制方的一致认可(见图6)。第(3)方案实施后,完成了测量链分离的旋转测量臂装置,实现了高精度的划线与检测。装置的总不确定度U=0.11,其重量仅有100kg。第(4)方案实施后,内齿圈的节圆分度,任意相邻分度误差为189.4737+0.044−0.037-0.037+0.044。多齿节圆分度累积误差得到控制。三、总不确定度的评估1.u3000une00UA=∑i=1n(Xi−X¯¯¯)2n(n−1)−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000UA=∑i=1n(Xi-X¯)2n(n-1)式中,Xi为被测量X的第一观测值;X¯¯¯X¯为n次观测值的算术平均值;n为观测值的次数(取n≥6)。则标准心轴的不确定度UA=0.014。2.测量方法的确定UB=(a+-a-)/2KP。式中,a+、a-为置信水平在P时的置信区间;KP为置信水平P时的包含因子(取)P=99%,KP=2.58)。经测算各分量的不确定度为:五等量块组UB1=0.021;测量转台UB2=0.004;直角器UB3=0.004;准直望远镜UB4=0.027;平板UB5=0.0004;分辨力UB6=0.039。3.不同体积的聚集不确定4.扩展不确定度U=KUc式中取K=2;则U=0.1105.重复式中,x¯x¯n为一次观测时n个检测的算术平均值,取n≥6,则Sn(x)=0.03<2U/3。6.sm的确定Sm=∑i=1n[(X¯¯¯i)−X¯¯¯m]2m−1−−−−−−−−−−√Sm=∑i=1n[(X¯i)-X¯m]2m-1式中,X¯¯¯mX¯m为m次观测结果的算术平均值,取m≥4,则Sm=0.04<Uc。四、