夏歆
上海电气电站设备有限公司发电机厂（200240 )
Laser Tracker Measurement Technology and Its Application
XIA Xin
Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.,Ltd.Generator Plant
摘要：介绍了激光跟踪测量技术的基本原理和Faro Laser Tracker的Xi型激光跟踪仪的主要组成部件。简述了该技术测量原理的具体应用和操作步骤等，并讨 论了600 MW汽轮发电机的端面测量，且对两种不同的测 量技术方案进行了比较和分析。
关键词：三座标测量激光跟踪大型汽轮发电机
大尺寸测量
中图分类号：T M305.4文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2019.04.017
Abstract: Basic principle of laser tracker measurement technology is introduced as well as the main components of the Type Xi Faro Laser Tracker. Detailed application and operational process of this measurement principle are described briefly. Measurement on the end of 600 MW turbine generator is discussed in detail while comparison and analysis between two different technical programs of measurement are performed.
Keywords: 3-coordinate measurement laser tracking large-size turbine generator large-dimension measurement
激光束是唯一人造的、纯粹光的相干性光束，具有单一波长、方向性高、能量高度集中和 相位的相干性等特点。由于这些特点，使其成为 了工程应用领域中理想的“尺”。激光束的波长 决定了其最小刻度，极高的方向性也决定了这把 “尺”很直，不会在远距离测量中出现弯曲而影 响测量的精度。因此，激光测量技术逐渐成为现 代测量技术方面的重要一员，并被越来越多的工 业领域所应用。
文章介绍了在600 MW等级发电机中，运用
Faro Laser Tracker的X i型激光跟踪仪及其测量
技术，进行机座端面测量的情况。
1组成部分和基本功能
1.1主设备
Faro Laser Tracker•的X i型激光跟踪测量系
统（图1)主要包括：
(1) 跟踪仪主机：其功能为产生和发射激光，接收反射激光束并反馈给控制单元，利用机
械传动装置响应控制单元发出的动作指令和报
警等；
(2) 控制单元:它是连接主机与操作端 计算机的中间连接设备，起到了两者间信息传送
的作用。同时，它还有温度测量探头接口（最多可
接8个端口）、与其它Faro设备联合测量接口、网络
连接状况报警和为接入的主机分配电源等功能；
(3) 操作端计算机：用于对测量系统进行控 制以及运行相关测量分析软件。
图1Faro Laser Tracker的Xi型激光跟踪测量系统
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动态与信息1.2附件
(1)
三角架（图2):用于测量中支撑主机， 材质可靠，具有较高的稳固性。
4
图2
三角架
(2)
锁紧底盘及专用扳手（图3):用于三角 架与主机间的紧固。
图3
锁紧底盘及专用扳手
(3)测温探头（图4):用于测量环境温度， 在测量过程中及时消除环境温度对激光波长的 影响，从而尽可能降低系统误差。
图4测温探头
⑷测量点采集及反射粑球SM R (图5):其 内部为三个相互垂直的反射镜面，三个镜面的共 同交点为球面的球心。
图5
测量点采集及反射靶球SMR
(5)测量辅助附件（图6):用于与SM R 配套
使用，简化测量。
图6测量辅助附件
1.3工作原理
Faro Laser Tracker 的X i 型激光跟踪系统的
基本工作原理为：将被测零件放入测量系统的有
效测量空间之内，建立测量系统基础坐标系，此
坐标系为整个测量过程中的基准，通过SM R (可 与辅助附件经过一定的组合）探测，可获得一系 列与被测几何元素有直接关系的探头控制点坐 标，根据这些点的空间坐标值，经过一定的数学 运算拟合出被测元素的几何形状，并分析出各几 何形状的相互位置关系。
因为所有的几何形状均可归结为点、线、面 这三个几何元素的相互组合，几何三要素中的面 可以描述成无数条线的组合，也可以描述成无数 个点的组合，所以，对尺寸的测量实际就是在测 量点与各点之间的距离。
使用Faro Laser Tracker 的X i 型激光跟踪系 统进行测量，当实测一个复杂工件时，系统先将 其划分成若干个基本测量单元，比如平面、球 面、圆柱面和圆锥面等，分别对这些几何形状取
表面点进行拟合。再根据已测得的几何形状进行 计算分析，得到像面之间的距离、平行度和垂直 度等。对于球面，可得到球面的球心位置及球半 径等尺寸。对于圆柱轴线等无法用传统量具直接 测量的尺寸，这种多点拟合后计算分析的方法就 非常有效且具有很强的可操作性。
2 几何形状的测量
2.1点的测量
(1)直接测量：把点作为一个球体的球心，
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》
& 2e通过一定长度的尖头杆（测量过程中保证杆长度 不变），尖头接触测量点，靶球固定在另一端，绕 着被测点旋转并取点。
(2)间接构造：即通过已知几何元素构造， 包括线与线相交、线与面相交、点在面上投影和 三个面相交等等。2.2直线的测量
实际测量中的直线往往是由两个平面相交 而得，此时两个平面的测量与单纯平面测量是有 区别的。在测量时，其中一个平面应尽量在直线 附近取点，避免因为平面的平面度对直线精度 产生影响；而另一个平面则应将取点范围尽量扩 大，尽量能够反映平面的空间角度。2.3平面的测量
激光跟踪系统从测量原理上而言，仅能够测 量空间的点，得到点的坐标、。测量平面，则是由一 定量的点组成的，故在测量时必须注意：
(1) 取点尽量分布均勻；(2) 对于平面局部配合部位尽可能多取
点；
(3) 平面上孔位置附近尽可能多取点；(4)
对于粗糙度要求不高的平面，若允许局
部凹坑、砂孔和局部凸起，测量时应避免在缺陷 部位取点，以减少对工件平行度、垂直度和角度 等产生的影响，从而进一步提高测量精确度。2.4球面的测量
类似于平面的测量。测量时只需要在球面上 取点即可，需要注意取点时应分布均勻。对于较 大球面而言则有所不同，测量必须分两次进行， 其中需要设计一次仪器的蛙跳。
测量类型还有很多，但灵活运用以上的几种 基本类型，一般即可以满足工厂金加工方面比较 规则的几何形状零部件的测量。
3 机座端面测量
以测量水氢氢600 MW 等级发电机机座端面 及端面止口内圆为例，其测量步骤如下。3.1确定被测工件的几何要素
动态与信息
(1) 确定并描绘汽端端面和励端端面（图7 中两个大网格平面）；
(2) 确定并描绘两端面止口内圆（图7中的 圆形，已经投影在相邻端面上）；(3)
设计7个蛙跳点（图7中的白色交叉点，
用于汽、励端间距的坐标转换）。
图7系统中用以确定几何要素的界面
3.2被测工件的尺寸考核
(1) 分别考核汽、励端面的平面度；(2) 考核两端面间的平行度；(3) 考核两端面间距离。3.3构造考核基准
根据考核尺寸构造机座轴线作为考核基准， 此构造线由两端面止口内圆圆心连接而成（见图
8中的直线）。
图8
在系统中确定考核基准
3.4测量端面平面度
以汽端为例，其在系统中的操作步骤为：选 择G D &T 菜单一下拉菜单中选择“平面度” _平 面度窗口中选择“汽端端面”，可获得报告（如图 9所示）。励端端面平面度操作方法类似，不再复
图9
系统生成端面平面度测量报告
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动态与信息& 2ei>e£ywient 6
述。
3.5汽、励端端面平行度
在系统中的操作步骤为：按复査特征一在 “复査特征窗口”中选择特征为“汽端端面”一 勾选“基准”复选框，选择基准代号，这里选 “A ”。
然后，选择G D &T 菜单一下拉菜单中选择 “平行度” _在出平行度窗口中选择基准为“A ” (即前面设置的端面），特征为励端端面，如图10 所示。
图10设定励端端面的基准
设置完成后可进行测量，最后系统将自动生 成报告，如图11所示。
图11系统生成端面平行度测量报告
第一种方案中两端面止口内圆的圆心位置与第二 种方案中的端面几何中心并不一致。
两种方案实际操作中各有其优缺点：第一种方案的缺点为在以端面止口内圆圆 心作为端面几何中心的过程中会引入一些误差， 但考虑端面和端面止口都是在一次机床装夹后 加工完成的，在机床精度不失的条件下，这种近 似是允许的；但更重要的误差在于后续压装工序 中的基准也是以端面内圆中心来定的（内圆中心 通过拉钢丝的方法确定），为了让后续工序有参 照，这种评定方法是可取的。
第二种方案虽然综合考虑了整个相关测量 分析过程，把测量系统综合误差降到了最低（只 保留了端面测量取点时引入的测量误差和计算 中很小的修约误差），但对后续工序没有指导意 义。
两种方案的测量结果存在相对的差异，见图
12。第一种方案的结果为：10 345.472 6 mm ;而 第二种方案的结果为：10 345.231 1 mm 。
图12两种方案的测量结果
可见，两种方法相差0.241 5 mm ,可以认为
偏差不大。3.6两端面的间距测量
对于两端面的间距测量，系统可提供两种方 案：
(1) 用测量的两个端面止口内圆的圆心距离 来测定。
(2)
直接利用软件提供的两平面间长度距 离直接得出数据。此方案的原理是通过计算先得 到某一端面所有测量点的几何中心，再计算此几 何中心到目标端面的距离。
根据实际测试中得到的数据来看，这两种方 案所测得的结果相对存在一些差异。其原因是：
4
结语
激光跟踪测量技术已广泛应用于各类工程
领域。通过Faro Laser Tracker 的X i 型激光跟踪 系统在大型汽轮发电机机座测量中的实际应用
对激光跟踪仪测量系统及其技术进行了简要介
绍，希望能够对行业中的相关工程技术应用提供 一些借鉴。
(收稿日期：2018-11-01)
作者简介：夏歆，男，1980年6月生，本科，助理工程师，现从事质量 管理工作。
•. 2019年第4期《电机技本
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