夏漢庸 王嘉偉

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315012；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

盾構(gòu)管片是盾構(gòu)法隧道的主體，其尺寸精度直接影響盾構(gòu)隧道的凈空限界，在國家規(guī)范《預(yù)制混凝土襯砌管片(GB/T22082—2008)》與《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范(GB 50446—2008)》中，對盾構(gòu)管片的尺寸有著嚴(yán)格的要求。管片模具作為盾構(gòu)管片生產(chǎn)的載體，其尺寸精度直接決定盾構(gòu)管片的精度。目前，由于傳統(tǒng)檢測手段的落后，管片模具的尺寸檢測仍為二維檢測，無法準(zhǔn)確檢測管片模具的整體變形。本文旨在探討使用三維激光掃描儀對管片模具進(jìn)行整體變形監(jiān)測的可行性。

1 工程概況

寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司從3號線一期工程開始成立了盾構(gòu)中心，盾構(gòu)管片精細(xì)化管理是主要的工作內(nèi)容之一。為探索新的管片模具檢測手段，專門組織相關(guān)人員到國內(nèi)其他城市進(jìn)行了管片模具檢測新技術(shù)調(diào)研。目前，國內(nèi)盾構(gòu)管片檢測仍停留在管片模具的二維尺寸[1](包括寬度、弧長、高度、角度)檢測階段，無法檢測管片模具生產(chǎn)過程產(chǎn)生的整體變形。

應(yīng)用管片模具檢測出變形后，也沒有指導(dǎo)性的修復(fù)依據(jù)。例如，寬度尺寸超過限差值時(shí)，無法判斷是兩塊側(cè)模中哪一塊發(fā)生變形，只能采用兩邊同時(shí)修復(fù)，或兩塊側(cè)模輪流修復(fù)；對于弧長的檢測亦是如此。弧長是通過定制的S樣規(guī)進(jìn)行卡位量取，在長期使用中，樣規(guī)極易發(fā)生變形。為了能夠?qū)芷＞哌M(jìn)行全面性的檢測，寧波軌道交通盾構(gòu)中心開展了利用三維激光掃描技術(shù)對盾構(gòu)管片模具進(jìn)行三維檢測的應(yīng)用研究，設(shè)備采用加拿大MetraSCAN品牌的三維激光掃描儀(型號：MetraSCAN 750TM/Elite)。三維激光掃描測量技術(shù)利用激光測距原理來獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)[2]，能夠非接觸性地掃描任意形狀的物體，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的模型數(shù)據(jù)。通過大量的應(yīng)用探索和實(shí)驗(yàn)，初步確定了三維激光掃描儀在盾構(gòu)管片模具檢測方面的可行性方案。

2 管片模具三維激光掃描測量

2.1 工作原理與技術(shù)規(guī)格

三維激光掃描儀主要系統(tǒng)：C-Track(跟蹤器)如圖1，MetraSCAN 3D(掃描儀)如圖2，技術(shù)參數(shù)如表1。

圖1 C-Track

圖2 MetraSCAN

MetraSCAN三維激光掃描儀原理：設(shè)備上配有635 nm的紅色線激光發(fā)生器，并配有一部閃光燈和兩個(gè)工業(yè)相機(jī)。工作時(shí)將激光線照射到物體上，由兩個(gè)相機(jī)來捕捉這一瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)。由于物體表面的曲率不同，光線照射在物體上會(huì)發(fā)生反射和折射，然后這些信息會(huì)通過配套軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像[3-5]。在掃描儀移動(dòng)的過程中，光線會(huì)不斷變化，而軟件會(huì)實(shí)時(shí)識別這些變化并加以處理。光線投射到掃描對象上的頻率高達(dá)28 000 point/s，即使掃描速度很快，同樣可以獲得很好的掃描效果。三維掃描儀工作時(shí)使用反光型定位標(biāo)點(diǎn)(與掃描軟件配合使用)，支持?jǐn)z影測量和自校準(zhǔn)技術(shù)。攝像頭探測到的定位標(biāo)點(diǎn)圖案和掃描儀相同，通過空間三角測量，能夠確定掃描儀(在空間中)的位置。

表面采集通過觀察投影到待測物表面上的激光線來完成，隨著激光掃過待測物表面，設(shè)備將根據(jù)空間三角測量的原理進(jìn)行自動(dòng)測量并記錄數(shù)據(jù)。采集到的待測物表面各部分的空間位置信息以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。掃描坐標(biāo)系的定義為：坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處，掃描儀的理論豎直軸(水平時(shí)的天頂方向)為Z軸，掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的零方向?yàn)閄軸，構(gòu)成右手坐標(biāo)系[6]。對于單個(gè)采集點(diǎn)，原點(diǎn)到被測點(diǎn)的距離為S，掃描儀測得的水平和豎直角度分別為α和θ，則被測點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算公式為

(1)

三維激光點(diǎn)坐標(biāo)示意[7-10]如圖3所示。

圖3 三維激光點(diǎn)坐標(biāo)示意

型號MetraSCAN750TM/Elite重量1.38kg精度0.03mm體積精度9.1m316.6m30.064mm0.078mm分辨率0.05mm測量速度480000次/s掃描區(qū)域275mm×250mm

2.2 三維激光掃描技術(shù)的工作流程

整個(gè)工作流程分為外業(yè)工作、數(shù)據(jù)處理、成果輸出三部分。三維激光掃描流程如圖4所示。

圖4 三維激光掃描技術(shù)的工作流程

(1)外業(yè)工作

①C-Track校準(zhǔn)

共有4種采集順序，覆蓋三個(gè)被測量體軸(如圖5)：

水平；

垂直；

軸向(兩個(gè)方向)。

圖5 C-Track校準(zhǔn)

②MetraSCAN校準(zhǔn)

將校準(zhǔn)板(如圖6)放在穩(wěn)定的平面上，調(diào)整校準(zhǔn)板相對于C-Track的位置，直至滿足要求。

單擊掃描儀“觸發(fā)”按鈕，將MetraSCAN移到校準(zhǔn)板上進(jìn)行位置匹配，依次調(diào)整MetraSCAN至電腦屏幕中顯示的圖像(如圖7)，按照軟件提示完成校準(zhǔn)。

圖6 校準(zhǔn)板

圖7 MetraSCAN校準(zhǔn)顯示

校準(zhǔn)完成后，檢查校準(zhǔn)結(jié)果無誤后，點(diǎn)擊OK接受優(yōu)化。

③檢測標(biāo)靶

C-Track跟蹤檢測的范圍為1.5～4.2 m，而管片模具平均長度為3.4 m，無法一次性布設(shè)標(biāo)靶覆蓋整個(gè)管片模具。采用搭接方式，依次采集定位標(biāo)靶，標(biāo)靶應(yīng)均勻布設(shè)在管片模具腔內(nèi)(如圖8)。

圖8 標(biāo)靶布設(shè)示意

④ 管片模具掃描

用MetraSCAN對模具進(jìn)行掃描，掃描內(nèi)容包括模具的表面、孔位、邊界等。

(2)數(shù)據(jù)處理

①掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control處理軟件中，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理(處理效果如圖9、圖10所示)，其主要目的是去除各種噪聲的干擾，使最終的模擬效果盡量逼近鋼模的真實(shí)形態(tài)[12]。

圖9 掃描效果

圖10 預(yù)處理后效果

②最佳擬合對齊

對某管片模具分階段掃描兩次，初次掃描數(shù)據(jù)設(shè)定為參考模型，后期掃描的數(shù)據(jù)設(shè)定為測試模型。利用Geomagic Control中最佳擬合對齊功能，建立測試模型與參考模型的統(tǒng)一坐標(biāo)系，模型疊加生成3D色譜偏差圖。其中綠色的偏差范圍為-0.3～0.3 mm；正數(shù)用紅色表示(向參考模型內(nèi)側(cè)偏離)，顏色越深，表示向內(nèi)偏離越大；負(fù)數(shù)用藍(lán)色表示(向參考模型外側(cè)偏離)，顏色越深，表示向外側(cè)偏離越大；D表示測試模型與參考模型相對位置的偏差值，Dx、Dy、Dz表示三個(gè)坐標(biāo)軸方向的偏差，以編碼正前方為上，左右兩側(cè)為端模，上下兩側(cè)為側(cè)模，中部弧形面為底模，如圖11所示。

圖11 3D色譜偏差

底模、上下側(cè)模變化值較小，偏差范圍為-0.3～0.3 mm，左側(cè)端模向內(nèi)偏差1 mm，右側(cè)端模局部最大偏差1 mm。

(3)成果輸出

根據(jù)3D色譜偏差圖，編制指導(dǎo)模具修復(fù)的檢測報(bào)告。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例分析一

在三維激光掃描儀對管片模具進(jìn)行變形檢測的全過程中，只有最佳擬合效果不可預(yù)測，主要對此進(jìn)行驗(yàn)證性檢驗(yàn)。采用寧波天和永大地鐵管片有限公司的B3-13塊管片模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)分為三組數(shù)據(jù)，兩兩對比進(jìn)行分析。第一組(2016.12.17)：對該塊管片模具進(jìn)行掃描，得到第一組數(shù)據(jù)模型(用A表示)，同時(shí)用內(nèi)徑千分尺(精度0.02 mm)量取管片模具寬度尺寸(用a表示)；第二組(2016.12.18)：對該塊管片模具進(jìn)行二次掃描(用B表示)，并用內(nèi)徑千分尺量取管片模具寬度尺寸(用b表示)；在第二次掃描完成后，將兩塊側(cè)模的螺栓輕微打開，對該管片模具進(jìn)行第三次掃描(用C表示)，再次用內(nèi)徑千分尺量取寬度尺寸(用c表示)，千分尺測量結(jié)果對比見表2、表3，測量點(diǎn)位置如圖12。

圖12 鋼模測量點(diǎn)位置

表2管片模具寬度對比(a、b) 模具名稱 B3-13 檢測日期 2016-12-17

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度測量點(diǎn)B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10檢驗(yàn)工具內(nèi)徑千分尺實(shí)測尺寸a/mm實(shí)測尺寸b/mm較差/mm1209.551209.640.091211.81211.840.041212.771212.850.081212.061212.130.071209.411209.480.071214.201214.260.061216.121216.180.061216.911216.970.061216.361216.420.061214.161214.210.05

由第一組寬度尺寸數(shù)據(jù)a和第二組寬度尺寸數(shù)據(jù)b的比較看出，兩次測量值變化較小，平均值為0.06 mm，可以認(rèn)為此兩次測量鋼模本身及外界環(huán)境條件幾乎無變化，則三維激光掃描儀兩次測量結(jié)果的較差即為儀器誤差[13-14]。

第二組寬度尺寸數(shù)據(jù)b和第三組寬度尺寸數(shù)據(jù)c是兩側(cè)模輕微打開前后的區(qū)別，兩者較差平均值為2.5 mm。再以此較差與此兩次三維激光掃描儀的測量較差進(jìn)行對比，并加入第一組數(shù)據(jù)中的三維激光掃描儀測量誤差，即可驗(yàn)證鋼模發(fā)生變形后對最佳擬合對齊精度的影響。

將掃描得到的模型進(jìn)行預(yù)處理，分別以A為標(biāo)準(zhǔn)模型、B為測試模型；B為標(biāo)準(zhǔn)模型、C為測試模型，利用最佳擬合功能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)一，生成3D色譜偏差圖(如圖13、圖14)。

表3管片模具寬度對比(b、c) 模具名稱 B3-13 檢測日期 2016-12-18

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度測量點(diǎn)B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10檢驗(yàn)工具內(nèi)徑千分尺實(shí)測尺寸b/mm實(shí)測尺寸c/mm較差/mm1209.641212.7-3.061211.841214.22-2.381212.851215.14-2.291212.131214.33-2.21209.481212.13-2.651214.261216.68-2.421216.181218.16-1.981216.971219.12-2.151216.421218.79-2.371214.211217.16-2.95

圖13 A、B組3D色譜偏差

A、B組底模偏差為-0.08～0.06 mm；側(cè)模為-0.04～0.1 mm；兩端模偏差值為0.2 mm、0.13 mm，與a、b組較差對比后，可初步認(rèn)定三維激光掃描儀自身測量誤差為±0.15 mm，此結(jié)果同時(shí)符合設(shè)備標(biāo)稱體積精度0.078 mm(實(shí)驗(yàn)所有測量均采用16.6 m3體積空間)。

圖14 B、C組3D色譜偏差

B、C兩組底模偏差值為0.02 mm；端模偏差值為0.05 mm，局部向外側(cè)偏差值為-0.4 mm；兩側(cè)模都向外偏離，兩塊側(cè)模偏差和值為2.2 mm，加入設(shè)備測量誤差后，與b、c組較差對比可知，鋼模自身如果發(fā)生變形，對最佳擬合對齊影響較小。

本次試驗(yàn)表明，三維激光掃描儀的測量精度能夠滿足實(shí)際需要，可以采用此方法對管片鋼模進(jìn)行檢測。

3.2 實(shí)例分析二

對使用一定周期后的管片模具進(jìn)行檢測，生成3D色譜偏差圖，可以直觀了解模具變形，指導(dǎo)管片生產(chǎn)單位的模具檢修工作。采用寧波天和永大地鐵管片有限公司的L2-13號管片模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此模具在2016年8月17日進(jìn)場(進(jìn)場檢驗(yàn)情況見表4)，對此模具的三維信息進(jìn)行初次采集，設(shè)置為參考模型(用E表示)。

表4L2-13模具進(jìn)場檢驗(yàn)[15]mm 模具名稱 L2-13 檢驗(yàn)時(shí)間 2016-08-17

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度弧長(上)弧長(下)測量點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸B11190.20B21185.31B31180.97B41177.74B51175.93B61196.53B71192.11B81188.58B91185.24B101183.62左側(cè)1.00右側(cè)1.00左側(cè)1.00右側(cè)1.00允許誤差檢驗(yàn)工具±0.4內(nèi)徑千分尺±0.4樣規(guī)實(shí)測尺寸誤差判定1190.18-0.02合格1185.500.19合格1181.200.23合格1177.880.14合格1175.940.01合格1196.52-0.01合格1192.110.00合格1188.720.14合格1185.15-0.09合格1183.780.16合格0.65-0.35合格0.65-0.35合格0.65-0.35合格0.80-0.20合格

生產(chǎn)150環(huán)后，在2017年2月20日進(jìn)行第二次掃描(用F表示，其傳統(tǒng)手段檢測結(jié)果見表5)。

以E為參考模型，F(xiàn)為測試模型，采用Geomagic軟件中最佳擬合對齊功能，把E、F的坐標(biāo)系統(tǒng)一后，生成3D色譜偏差圖(如圖15)。

表5L2-13模具檢驗(yàn)mm 模具名稱 L2-13 檢驗(yàn)時(shí)間 2017-02-20

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度弧長(上)弧長(下)測量點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸B11190.20B21185.31B31180.97B41177.74B51175.93B61196.53B71192.11B81188.58B91185.24B101183.62左側(cè)1.00右側(cè)1.00左側(cè)1.00右側(cè)1.00允許誤差檢驗(yàn)工具±0.4內(nèi)徑千分尺±0.4樣規(guī)實(shí)測尺寸誤差判定1190.500.30合格1185.460.15合格1181.200.23合格1177.980.24合格1176.070.14合格1196.740.21合格1192.230.12合格1188.820.24合格1185.350.11合格1183.700.08合格0.54-0.23合格0.77-0.23合格0.45-0.55不合格0.66-0.34合格

圖15 L2-13修復(fù)前色譜偏差

L2塊底模、側(cè)模變形較小，左側(cè)端模變形較大，最大值為0.6 mm，右側(cè)端模最大值為0.5 mm，底模兩側(cè)局部略微下沉。

以圖15為指導(dǎo)性意見進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果如圖16。

圖16 L2-13修復(fù)后色譜偏差

左側(cè)端模顏色明顯變淺，數(shù)據(jù)顯示其偏差由0.64 mm減小至不足0.30 mm，修復(fù)效果比較明顯。

4 結(jié)論

介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，根據(jù)其工作特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了三維激光掃描儀在盾構(gòu)管片模具檢測時(shí)的外業(yè)測量流程、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法及可指導(dǎo)盾構(gòu)管片模具修復(fù)的檢測報(bào)告，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了MetraSCAN三維激光掃描儀的測量誤差及管片模具變形對最佳擬合對齊精度的影響。在盾構(gòu)管片模具檢測時(shí)，可以運(yùn)用3D色譜偏差圖直觀地標(biāo)注模具的實(shí)際偏差情況，以此準(zhǔn)確地指導(dǎo)盾構(gòu)管片模具的修復(fù)工作，避免傳統(tǒng)檢測手段在指導(dǎo)盾構(gòu)管片模具修復(fù)時(shí)的不足，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在盾構(gòu)管片模具檢測及指導(dǎo)修復(fù)方面的可行性與優(yōu)勢。

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