基于激光跟踪仪的活动桥支铰轴系测量
时间：2023-06-07 20:55:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
为了全面了解和掌握某单叶立转式活动桥的安全运行状况，分析研判活动桥液压启闭机油缸运行工况，并制定其调整检修参数，需要以亚毫米级精度测定活动钢桥支铰轴系的相对位置关系。通过方案比选，确定采用激光跟踪测量技术实施本项工作。
本项目作业区域横跨水面，临空作业，危险系数高，现场作业困难；
其次，测量视线被遮挡，控制点及测站布设位置受限。诸多不利因素给保证测量精度、顺利完成工作带来了极大阻碍。
现场工作选择在阴天无风的时段观测，并通过合理选择测站位置、根据现场条件布设测量控制点等手段，较好地完成了工作，为激光跟踪测量技术的应用提供了一个较好的案例。
激光跟踪仪是一种高精度空间极坐标光电测量仪器，出现于上世纪八十年代末[1]。发明该仪器的初衷是为了提高航天器零部件的拼接精度、降低对测量工作者的要求和劳动强度[2]。目前，激光跟踪仪已广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械制造、核工业等精密工业测量领域。2010年前后，随着具有绝对激光测距功能的小型激光跟踪仪的出现和推广应用，激光跟踪仪由精密工业测量领域逐渐拓展应用到精密工程测量领域。
激光跟踪仪由激光测距系统、角度测量系统、跟踪控制系统等主要部分组成，配合使用靶球等光学目标反射器，实时跟踪并精确测量目标点的空间三维坐标[3]。激光跟踪仪通常采用自由设站方式工作，其测站三维坐标通过边角后方交会方法获得[4]。在多测站工作模式下，通过测设高精度控制网将各测站的观测数据纳入统一的测量坐标系。
在测量精度控制方面，气温、气压和空气湿度对电磁波测距有较大影响[5]；
另外，研究表明，空气扰动对激光跟踪仪测量精度有显著影响[6]。因此，激光跟踪仪通常工作于实验室、工厂厂房等室内环境条件下，其原因在于室内环境下的不利因素易于控制，有利于保证测量精度。
我国激光跟踪仪的应用始于上世纪九十年代中期，相关学者和工程技术人员开展了广泛的应用研究。柯明等[7]使用激光跟踪仪完成了北京同步辐射装置测量的控制网测设工作，并对其测量精度和可靠性作了深入分析；
梁静等[8]在大亚湾中微子实验反应堆至探测器三维距离测量工作中，采用全球定位仪、全站仪及激光跟踪仪联合测量的方式实现距离测量，取得了满意的结果；
吴佳秀[9]将激光跟踪仪成功应用于白鹤滩百万千瓦水轮发电机组的定子冲片叠检。
本项目工作需要测量某单叶立转式活动桥在全关、半开、全开等三个工况下的三对支铰轴的相对位置关系。
该活动桥桥体结构全长27.30m，支撑跨度22.50m，桥面宽9.00m，支铰跨度为6.00m，结构图如图1所示。
图1 活动桥下游立面图
活动桥勘查情况如图2、图3所示。
图2 上游勘查位
图3 下游勘查位
根据现场勘查，各支铰轴两端面都有中心孔，但缺乏相关技术资料，为此，除了测量轴心孔坐标，还需测量支铰轴两端面圆周和轴端平面。
根据现场条件，在右岸桥台处布置4个测站，其中，两个测站分别位于桥体上下游侧的桥台下方侧墙上，另外两个分别位于桥体上下游侧的桥台顶面。
为了在桥台下方侧墙上设站，专门制作了两个仪器支座，其安装位置如图4所示。
图4 桥下测站位置
现场共布设10个控制网点。其中，9个控制点位于桥体支铰和液压启闭机底支铰位置的桥台边缘，1个控制点位于离桥体较远的平台边缘位置。现场测站及控制点布置如图5所示。
图5 测站及控制点布置示意图
另外，在活动桥桥体上下游侧的钢梁两端各设置1个固定标志点，用于测量活动桥开启过程中的桥体偏转。
观测时段：12时～24时；
现场天气：阴间晴天，无风。观测全过程气象条件统计如表1所示。
表1 现场测量气象条件统计
工作过程中，从测站1到测站4位置依次设站观测，每个测站先观测控制点，再观测支铰轴圆周点、轴端平面点、轴孔点及桥体标志点等，最后校核部分控制点。
为了到达液压启闭机顶支铰位置，使用65T汽车吊悬挂吊篮辅助，现场测量如图6所示。
图6 顶支铰轴测量
观测完成之后，进行平差计算，控制点测量不确定度均小于0.1mm，说明观测精度良好。
每个支铰轴端面的测量数据包括中心孔坐标、端面平面观测点坐标和轴端圆周观测点坐标。首先选取轴端面平面观测点进行平面拟合；
再将轴端圆周观测点投影至该平面，然后进行圆周拟合，获得该轴端的拟合直径和中心点坐标，最后校核中心孔实测坐标。
所有支铰轴端面数据处理完成后，以桥体全关工况下的测量值为基准建立右手坐标系：取液压启闭机两个底支铰的平均高程为零高程；
两个桥体支铰轴中心点的连线为X轴方向，上游方向为其正方向；
坐标系Y轴方向过两个桥体支铰轴中心点连线的中点，右岸方向为其正方向。
支铰轴观测数据处理完成后，比较了各支铰轴三次测量结果，用以评估现场观测质量。相关数据比较见表2。
表2 支铰轴拟合直径比较表 mm
根据表2，各轴三次直径测量结果最大相差0.16mm，最小相差0.01mm，平均差值0.10mm。
根据平差处理结果和表2数据，本次测量精度良好、成果可靠。
活动桥在全关、半开和全开工况下的支铰轴位置见表3、表4、表5。
表3 全关工况下的支铰中心坐标 mm
表4 半开工况下的支铰中心坐标 mm
表5 全开工况下的支铰中心坐标 mm
全关工况是活动桥的初始状态，从表3可以看出，桥体上下游支铰和启闭机底支铰位置（桥长方向）和高程相差不大，但上下游启闭机顶支铰在桥长方向相差3.95mm，高程相差1.81mm。
根据表3、表4、表5，相对于全关工况，桥体支铰轴和启闭机底支铰轴在半开和全开工况下有亚毫米级位移，且最大位移发生在半开工况下（见表6）。
表6 相对于全关工况的支铰位移 mm
显然，在活动桥开启过程中，桥体支铰轴和启闭机底支铰轴不可避免地发生轻微晃动。
上述数据分析表明，活动桥在开启过程中，其桥体逐渐向上游偏转，而其桥面则向下游偏斜（半开时偏斜较大，全开时基本回正）。
设置在桥体上下游侧钢梁两端的4个标志点组成两条标志线，根据其测量值计算的桥体偏转方向与上述分析相符，见表7。
表7 桥身偏转角度
①本项目工作全过程的气温、气压和空气湿度变化都比较大，但根据精度分析结果，激光跟踪仪的精度表现良好。②根据现场条件，合理选择设站位置，克服了视线阻挡难题；
同时，布设足够多的控制点，保证了测量精度和可靠性。③选择合适的天气条件、增加校核条件、多方校核测量结果也是保证测量精度的成功经验之一。
