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1、第八章 工业设备的安装和检校测量 特点: (1)保证每个部件之间的精密连接,精度要求高 (2)有特殊的测量仪器和方法 (3)不同对象安装要求的精度不同 (4)伴随工程建设的全过程 学习要点: 精密微型安装测量控制网的建立 设备安装和检校测量仪器与方法 精密定线、短边方位传递和姿态准直 三维工业测量系统 大型天线安装测量实践 第一节 精密微型安装测量控制网的建立 (1)对小型设备的安装,一般不在需要建立专门的安 装控制网了。 (2)大型设备的安装,特别是需要分段、分区安装的 情况则必须建立安装测量控制网。这类网常布设成精 密微型控制网的形式,其精度与设备安装的精度要求 有关,对于大型和特种精密设
2、备,测量精度甚至达到 了计量级。 (3)控制网的形状根据安装对象确定。 一、直伸三角形网 (一)适用条件 直线方向要求高的设备安装。 (二)误差分析 1、边长观测误差分析 设A为固定点,AB为固定方向,且设为x轴方向。其它控制点 1、2等基本上位于AB直线上,通过边角测量来确定各点的 纵横向坐标。 由于控制点基本上位于一条直线上,三角形内角接近0和 180,故三角网的图形条件很差,但边角网的图形条件是 强的。这一结论可以从对边角观测值误差方程分析得出。 边长观测误差的一般形式: 其中,为ij0为ij边的近似方位角, 边长的近似 值,Sij为观测值。由于各控制点近似在一条直线上,方位角 接近0或
3、180,故有: 因此直伸网边长误差方程可简化为: 即边长误差方程仅用于求解x坐标(纵向)的改正数。 2、方向观测误差分析 方向观测误差方程的一般形式为: 其中,di为定向角改正数, 为ij边近似边长, , 为ij方向近似值,Tij为观测值, Z0i为i测站定向角近似 值。 上式进一步简化为: 上式中、xi0、 xj0为i、j点的近似坐标。因此方向误差方程仅 用于求解y坐标(横向)的改正数。 二、环形控制网 环形控制网一般布设成测高环形 三角网和大地四边形环锁等形式。 (一)测高环形三角网 测高环形三角网的布网方案所示,除了测定每个三角形的二条 短边外,在每一个狭长的三角形中,在长边上引张一条弦
4、线, 再用专用工具丈量三角形之高,根据两边和高可以推算出三角 形的三个角值。在加速器工程中,采用专用因瓦测距仪 Distinvar测距,精度可达0.030.05mm,因此能显著地改善方 位角传递的精度,有效地克服了三角形因视线靠近隧道壁产生 的旁折光影响,实质上是以测边、测高达到高精度测角。 在直伸三角形abc中,三角形内角的计算公式为: 微分上式之第一式,并转换成中误差 可得: 环形控制网的边长一般较短,三角形为狭长三角形,故有: ,上式化为: 由此可见,在测边误差和边长一定的条件下,h越小,ma也随 之变小。 例如在某环形加速器工程中,环的半径为R=233.45mm,布设 60个控制点。
5、(圆心角为6度,对应的弦切角3度) 设ms=0.06mm,mh=0.03mm,代入上式后可得 ma=0.25”,同样可得mb=0.25”,而mc= ma=0.35” 。 如果只测量狭长三角形的三条边S1、S2、S3,那么可以推出 三角形的角值: 可得中误差公式为: 当h=1.28m,设:ms1=ms2=ms3=0.04mm,则可得:mc=11.2 由此可见,用狭长三角形三条边长来推求角度的精度不高,证 明了测量二条短边和高来求角的方案是最佳的。但测量底边长 可以起到检核作用,也有助于减少相邻点的相对点位误差。 三、大地四边形环锁 四边形环锁的图形结构比较坚强,测量全部边不测角度, 也是一种较好
6、的布设方案。但它的工作量大,需要具备四种 不同长度的铟瓦尺。 在评定环形控制网的精度时,一般要求给出切向误差和径 向误差,如果在直角坐标系下进行平差,则平差后要将x和y 方向的误差转换成切向误差和径向误差。考虑到环形控制网 的特点,可采用极坐标系,在平差时要建立大地四边形环锁 在极坐标系下的边长误差方程。 在高能粒子加速器环形控制网的测量中,现在也可以采 用激光跟踪仪的测量方法,为了和其他设备采集的数据对应 或便于归算,一般要研制相应的测量目标和配件。 四、三维控制网 三维控制网缺陷: 三角高程测量的精度较低,与平面位置的精度不匹配, 特别是在野外大气折射对垂直角的影响很大。 三维控制网的优点
7、: 1)避免了二次布网、观测和平差的繁琐工作; 2)避免了一些相关元素分开处理在精度上、时间上和信 息上带来的损失,理论上更加完善。 五、高程控制网 目前几何水准仍然是精度最高的高程测量方法,因此安 装测量的高程控制网一般仍布设成水准网的形式。 第二节 设备安装和检校测量仪器与方法 以天线的安装和检校为例,介绍有关的测量手段和方法。 一、传统的测量方法 主要有: 机械测量法样板法(旋转样板法和 固定样板法)和数控机床法 光学测量法双五棱镜法、经纬仪钢 带尺法和五棱镜带尺法等 电学测量法等。 样板法 1、旋转样板法 原理:按给定的抛物线方程,用数控铣床或其他方法制造出 抛物线样板;将样板安装到被
8、检天线的轴心线上,当它回转 一周时,测量样板曲线和抛物面的吻合间隙,并对天线作出 评价。因此样板法成形及测量的关键是如何保持旋转轴与面 板设计轴线的一致性 如果沿样板安装一排百分表,每一块表按抛物曲线调到零点 ,这样既能提高测量精度,也能提高测量速度,称之为样板 百分表测量法。 旋转样板法的优点:样板的设计制造比较容易,测量操作方 便,读数直观;既可检测一般精度的反射面,又可检测较高 精度的反射面;样板不仅是检测工具,而且还是用于定位安 装和调整反射面的安装调整工装。 旋转样板法的缺点:系统建立比较烦琐,并且需要其他仪器 辅助调整,相应地引入的误差源多;对大尺寸天线测量困难 ;测量效率较低,易
9、出错。 旋转样板法对中、小型圆对称天线比较有效(口径10 m以 下),只适合天线朝天状态下的测量,典型的测量精度为 (0.10.2)mm。 2、固定样板法 固定样板法不再需要旋转样板,而是充分利用天线的成形模 具如拉伸模、拉弯模和铆装夹具等作为测量工具,实现单元 面板在车间的自检。将单元面板自由贴合在上述模具上,用 百分表或塞尺测量贴合间隙,然后评定面板精度。 固定样板法也是一种比较测量,且只能测量单元面板(一般 不超过3 m),典型的测量精度为 (0.20.4)mm。 双五棱镜法 双五棱镜法由一台准直望远镜T和两块 五棱镜A和B组成。两块五棱镜可在导 轨上沿y轴作直线运动,通过五棱镜A 和B
10、可同时观察到P处的标志,改变两 棱镜的距离y1和y2,可以使待测点在 两棱镜的像重合在一起,组成了一个测量三角形ABP,因1、 2、y1和y2已知,可以求出P点坐标。 该法的优点:可以测量抛物面在不同仰角时的表面精度,测 量精度为 (0.150.7)mm 缺点:要研磨多个五棱镜以适应天 线不同区域的测量,结构上较为烦 琐,且不能用于非圆对称天线的检测。 经纬仪带尺法 经纬仪带尺法用一台高精度的经纬仪(主要是垂直角精度要 求高)和一把特制钢带尺作为检测工具,用经纬仪测垂直角 、钢带尺测弧(弦)长,然后计算偏差并进行调整 该法成功与否的关键是:必须保证经纬仪的垂直轴和天线的 旋转轴重合、选用高精度
11、的经纬仪和钢带尺。 该法应用比较 广泛,可用于 毫米波天线测 量。 工程名称组装精度 (mm) 表面精度为 IRAM 30 m天线 0.12 7台 22 m望远镜 0.11 0.25 mm Effelsberg天线,口径 100m 1 mm 二、射电全息法 工程背景:大中型毫米波、亚毫米波射电望远镜相继问世, 望远镜的天线口径与表面精度之比已达105以上天线安 装精度要求高 传统的天线表面精度测量方法缺陷:费时费力;要求天线 指向天顶;测量结果是点,不能全面反映天线实际工作的 状况;测量精度已基本达到极限。 射电全息法是利用天线的远场复方向图与天线口面上的场 分布间的傅立叶变换关系,由远场方向
12、图的测量来反推天 线口面上的场分布(振幅和相位分布),并由天线口面上 场的相位分布,用光线追迹得到天线表面相对于理想抛物 面偏差的信息 测量误差:接收机噪音、指向和跟踪误差、大气闪烁、天 线馈源的相位响应和信号源的偏振效应等。 全息现象首先由英裔匈牙利物理学家Gabor D. 于1947 年首先发现,1968年由前苏联人率先用于天线测量。 常用的方法: 1)方法1 测量远场方向图的幅度并直接测量远场方向图 的相位,这需要在被测天线附近设置另一台天线来提供 参考相位,并需要具有相位稳定的双通道接收机; 2)方法二:无相位测量方法,即采用某种相位恢复算法 ,由天线的聚焦和偏焦方向图的幅度来获得天线
13、口面上 场的振幅和相位分布。 如美国GBT天线,通过射电全息法的测量,将表面精度从 1.1 mm(由经纬仪和全站仪调整而成)提高到 0.53 mm ;日本 45 m Nobeyama天线,表面精度从最初的 0.2 mm提高到 0.065 mm,已接近单块面板的精度( 0.051 mm);OSO 20.1 m射电望远镜用该法进行了检测,其测 量精度为 0.066 mm;Effelsberg 100 m天线,用该法 进行了升级,表面精度提高到 0.5 mm;IRAM 30 m天 线用该法进行了升级,测量精度为 0.035 mm,表面精度 提高到 0.08 mm。 缺陷:1)测量小口径天线时的测量精
14、度低于光学测量系统 2)由于可用射电源的数量和空间分布有限,不可能 在天线的整个仰角范围内或最佳安装角位置进行测量 3)不能用于天线的初装,也不能用于指向固定天线的 精调。 三、三坐标测量机 三坐标测量机是工业部门应用最多的坐标测量仪器,在中小 型工业设备的安装检测中发挥着重要的作用。 三坐标测量机概述 1、原理:将被测物置于三坐标测量机的测量空间,可获得被 测物上各点的坐标位置,根据这些点的空间坐标值,经过数 学运算,求出被测物体的集合尺寸、形状和位置。 2、用途:机械制造、电子、汽车、航空和航天等工业中 由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好 ,能与柔性制造系统相连接,已成为
15、一类大型精密仪器,有 “测量中心”的美誉。 三坐标测量机结构 组成:主机、测头和电气系统 1、主机 主机由框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件、 转台与附件组成。 框架结构可分为以悬臂式、桥框式和龙门式为代表的三坐标 测量机,以坐标镗式和卧镗式为代表的万能测量机,由测量 显微镜演变而成的仪器台式三坐标测量仪,还有按极坐标原 理的极坐标式,共计七大类。 YXB-桥式手动三坐标测量 机 YXB- 桥式三坐标测量机 标尺系统是坐标测量机的重要组成部分,也称为测量系统。 主要有精密丝杠、高精度刻线尺、光栅、感应同步器、磁尺 、码尺、激光干涉仪等。 龙门式三坐标测量机 操作简单易懂.界面可视化.
16、功能强 大.测量模块多.适用较大范围测 量 高稳定性机床式优质铸铁基础框架 闭式、开式、贴附式光栅的选 择. 标准的数据采集软件、提供经修正后标准的各轴坐标示值. 具测量精度(可达达2-6m) 高效率、与良好的操作可靠性. 按其性质可分成 机械式测量系统 光学式测量系统 电气式测量系统 2、测头 测头是一种传感器,主要用于测微和瞄准 按测量方法可分为:接触式和非接触式 按结构原理可分为:机械式(硬测头)、光学式和电气式等。 机械式主要用于手动测量; 光学式多用于非接触测量,有三角法测头、激光聚焦测头、光 纤测头和莫尔条纹等; 电气式多用于接触式的自动测量,采用电触、电感、电容、应 变片、压电晶体等