张红春 ZHANG Hong-chun；田阔 TIAN Kuo
（中冶集团武汉勘察研究院有限公司，武汉 430080）
（Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co.，Ltd. Of MCC，Wuhan 430080，China）
摘要： 以某冷轧厂轧辊平行度测量为例，分别采用工业全站仪和激光跟踪仪两种设备进行测量，并比较其利弊，为同类工程项目实施提供经验。
Abstract： Taking the parallelism measurement of a cold rolling plant as an example, this paper carries on the measurement with the two devices of industrial total station and laser tracker, and compares their advantages and disadvantages, to provide experience for similar engineering projects.
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关键词 ： 轧辊平行度；工业全站仪；激光跟踪仪；旋转法面
Key words： roll parallelism；industrial total station；laser tracker；rotation method surface
中图分类号：TG33 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0319-03
作者简介：张红春（1981-），男，四川简阳人，工程师，研究方向为工程测量技术。
0 引言
某冷轧厂轧辊已初步安装完成，为确保轧辊安装精度可控，减少后期设备调试中由于安装精度不足造成的带钢跑偏、产品板形不良等问题，提高调试工作的效率，并为轧辊精度的周期量化管理奠定基础，需对机组轧辊的平行度进行测量。一般冷轧钢卷的厚度为0.2～0.4mm，冷轧生产线辊轴的安装精度≤0.1mm；所以，对轧辊平行度测量的精度要求就更高。为此，作者通过采用工业全站仪和激光跟踪仪两种设备分别对轧辊平行度进行测量，并比较其利弊，为同类工程项目提供经验。
1 轧辊平行度测量的基本原理
对于轧辊平行度测量，首先应对轧辊的旋转轴和旋转法面有一定的了解，如图1所示。
对于一条冷轧生产线，有众多个轧辊处于不同的空间位置，理论上每个轧辊在某一高程面上都应与机组中心线垂直，轧辊和轧辊之间平行。但受轧辊生产工艺、安装技术和长期运营等因素的影响，导致轧辊和轧辊之间相互不平行。轧辊平行度测量时，很难精确地在各轧辊的两端标定出其旋转轴，如果简单地以各轧辊两面圆的中心的连线作为轧辊的旋转法线是不严谨的，因为各轧辊的旋转法线是在旋转过程中虚拟的一条线。所以，仅测量各轧辊静态时两面圆的中心所求的连线而计算出的平行度，不能客观地反映轧辊在运动过程中的真实平行状态。
其实，在各轧辊旋转的过程中，都分别有一个与旋转法线垂直的旋转法面。因为确定各轧辊的旋转法面比确定旋转法线容易得多，直接或者通过特殊装置测量各旋转法面上任意3个或3个以上的点就可以确定该轧辊的旋转法面；再根据各轧辊的旋转法面计算出其旋转法线，通过各轧辊的旋转法线反映出轧辊之间的平行度。
2 轧辊平行度测量主要技术要求
为满足轧辊平行度测量的高精度要求，该项目设计的主要技术要求如下：
轴辊点位测量视线边长值不大于30m；水平角和垂直角最少测量4次，两次测量读数互差≤2″；距离最少测量4次，两次测量读数互差≤0.2mm；温度读数最小读数1℃，气压读数最小读数1hPa。
摆杆长度和转动角度的规定如表1所示。
测站尽量置于两个基准点的连线之间；转换基准点之间的长度应大于或近似等于作业区域的长度；仪器应尽量位于轴辊中心线上，当不能满足时，应按照表2执行。
测量时，由于是采取自由设站方式，所以测站位置应根据现场条件选择最好的位置观测，做到在同等条件下，使得最终测量结果的精度最高。如测站距各基准点距离近似相等，测站尽量置于两个基准点的连线之间。
工业全站仪观测时要经常注意仪器的稳定情况，一旦仪器倾斜超出范围，本测站必须重新测量。要求气泡中心位置偏离整置中心不宜超过一格。当两次测量数据差值在测量精度要求数值的1.4倍以内时，可任取一个数据作为最后数据，也可取平均值作为最后数据。当两次测量数据差值超过测量精度要求数值的1.4倍时，需要再次测量。
激光跟踪仪测量时，为减少测量过程中偶然误差的影响，设定仪器自动对每组数据进行100次采集，各项限差满足要求后才接受测量数据，否则当场重测。采用激光跟踪仪对布设的基准点进行联测后，采用第一站的仪器坐标系作为整个基准网的独立坐标系，利用测站与测站之间的公共点，把各测站的坐标转换到第一站坐标系，并对整网转换进行整体平差。
在测量过程中必须对温度，气压及反射器常数进行实时记录并输入电脑计算时改正。
3 轧辊平行度测量实施
为寻求工业全站仪和激光跟踪仪两种设备对轧辊平行度测量的利弊，A、B两组人员分别采用工业全站仪和激光跟踪仪进行基准网和轧辊平行度测量。两组人员测量工作的内容、技术要求、工作量和工作原理基本相同。
A组人员测量时采用索佳NET05系工业全站仪，测角精度0.5″；配套棱镜在3500m以内距离测量精度为0.8mm+1ppm，配套反射片在200m以内距离测量精度为0.5mm+1ppm。
B组人员测量时采用Leica AT901-B系激光跟踪仪，合作目标采用直径1.5寸球形棱镜，该仪器一次定位测量直径160米，测距精度0.5um/m。
基准网测量：首先找到测量的基准点，基准点一般为设备中心线上的两点，然后根据现场条件在基准点上安置反射目标。根据条件的不同，视线距离超过70m远时使用棱镜，低于70m时使用反射片。根据基准点及待测轴辊的位置设置两个（或者两个以上）转换基准点，使得所有待测轴辊上的测点及基准点均可以与两个（或者两个以上）转换基准联测；转换基准可以是棱镜也可以是反射片。将基准点与转换基准进行联测，使得转换基准与基准点处于同一坐标系统中。测量时两个基准点可以在不同测站中观测，但转换基准必须每站都能观测到两个（或者两个以上）转换基准点。
轧辊旋转面测量：采用旋转测量法获得轧辊的旋转轴面，具体步骤为：①在轧辊操作侧架设工业全站仪或激光跟踪仪，测站选在能测量轧辊最大旋转面并能后视三个及以上基准点的位置；②在轧辊侧面上或延长杆上粘贴一个棱镜靶座；③对后视点测量；④采用旋转法依次测量轧辊旋转后靶座坐标，每个轧辊测量都不低于3个点。轧辊旋转时，轧辊测点所处的不同空间位置示意如图3。
在测量过程中取不同空间位置的点进行测量，测点编号格式如：A*01，A*02，A*03，A*04，A*05，其中：字母A轴辊字母号码，可以根据流水线方向按顺序编号，也可以根据生产方的要求或测量的顺序进行编号；*后面的01、02、03……表示测点号，每根轴辊特征点在旋转后处于不同空间位置的测点。
数据处理：使用相应的数据处理软件对旋转面上的测量点进行空间圆平面拟合计算，获得每个轧辊的旋转轴矢量。把旋转轴矢量投影到水平面上，计算各轧辊旋转轴矢量和基准辊旋转轴矢量之间的平行度。
4 对比分析
全站仪组共6人耗时8天完成基准网点测量87点、轧辊平行度测量65个的工作量；基准网平差后点间误差最大为1.75mm。激光跟踪仪组共4人耗时5天完成基准网点测量89点、轧辊平行度测量65个的工作量；基准网平差后点间误差最大为0.14mm。采用工业全站仪和激光跟踪仪进行轧辊平行度测量的成果见表3。
通过采用工业全站仪和激光跟踪仪两种设备对轧辊平行度测量，根据测量实施情况和最终成果对比分析可知：
无论采用工业全站仪还是激光跟踪仪，均可高精度地测量出轧辊平行度，而且规律基本一致。
两种方式测量的轧轨平行度结果较差总体上未呈正态分布，属系统误差，主要是基准网测量误差所致。极少数点受测量环境影响，出现了偶然误差。无论是系统误差还是偶然误差，两种方式测量的结果较差都较小，较差绝对值≤0.4mm/m。
相比而言，采用试验中的同类级激光跟踪仪进行轧轨平行度测量的精度较高，绝对精度能满足0.05mm/m，而且效率较高；采用试验中的同类级工业全站仪进行轧轨平行度测量的精度稍低，绝对精度能满足0.4mm/m，效率一般。
5 结束语
只要严格遵守规范和测量技术流程，采用相应精度等级的工业全站仪和激光跟踪仪，都能较高精度地测量出轧辊平行度。虽然激光跟踪仪测量精度高，操作简便高效，但激光跟踪仪及配套设备和数据处理软件价格较高，对于投资小的测量项目有一定的局限性，在重要设备和科研项目方面的精密测量有较大的应用空间。工业全站仪虽然比一般的全站仪稍贵，但能满足绝大部份高精度的工业测量和建筑变形监测工作，在精密测量技术的发展生产中会发挥重大作用。
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参考文献：
[1]刘学求.利用全站仪进行辊系平行度测量的方法研究[J].测绘科技信息交流论文集，2007（12）.
[2]王宏芳.浅谈激光跟踪仪在机床行业测量中的应用[J].科技论坛，2012（1）.
[3]于成浩.大尺寸激光跟踪仪三维控制网平面精度研究[J].测绘科学，2008（3）.