李 毅 許艷博 王 超

(1.北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038;2.城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

無舵雪橇起源于北歐,1964年在第九屆冬季奧運會中被列為正式比賽項目。有舵雪車,起源于瑞士。由無舵雪橇發(fā)展而來。雪車用金屬制成,形如小舟,車首覆有流線型罩,車底前部是一對舵板;上與方向盤相接,車底后部為一對固定平行滑板,車尾裝有制動器。第一屆冬季奧運會中有舵雪車即被列為正式比賽項目。在現(xiàn)代的雪車、雪橇比賽中,選手的速度可以達(dá)到每小時140 km或者更大,其離心力超越5 G。比賽存在一定的危險性,滑道需要嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行施工。根據(jù)往屆冬季奧運會的資料,雪車雪橇為管狀的賽道內(nèi)鋪設(shè)冰面,賽道的設(shè)計難度為冬奧會項目中單獨最高,認(rèn)證次數(shù)、審批最復(fù)雜,需要國際雪車聯(lián)合會( International Bobsleigh and Skeleton Federation,IBSF)和國際雪橇聯(lián)合會(International Luge Federation,FIL)進(jìn)行認(rèn)證和審批。

國家雪車雪橇中心為國家級重點工程,賽道夾具為賽道制冷管定位的關(guān)鍵工序,三維空間定位難度大,定位精度要求高[1]。因此,有必要采用科學(xué)的測量檢測方案和高精度的測繪儀器對賽道施工進(jìn)行測量檢測,結(jié)合工程特點,利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢,設(shè)計并打印了各種便于觀測、固定的模塊來輔助觀測,大幅提高了觀測精度和工作效率。確保了賽道準(zhǔn)確施工,保證比賽的順利進(jìn)行。

1 3D打印技術(shù)

3D打印,即快速成型技術(shù)的一種,又稱增材制造,它是一種以三維模型文件為基礎(chǔ)的打印技術(shù),基于傳統(tǒng)的平面印刷技術(shù),利用噴頭的三維運動,逐層通過二維打印的疊加實現(xiàn)模型打印,通過增加層級材料來生成三維實體,是一種增材過程[2],這種方式被稱為熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM),是3D打印技術(shù)中比較成熟的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相較而言,3D打印技術(shù)具有打印過程更快、更便宜、更安全等典型特點[3]

3D打印早已開始在各個方面徹底改變著地球上的設(shè)計[4],該技術(shù)逐步應(yīng)用于珠寶、工業(yè)設(shè)計、航空航天、建筑、汽車、工程和施工(Architecture Engineeringand Construction,AEC)、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。2019年1月14日,美國加州大學(xué)圣迭戈分校首次利用3D打印技術(shù),成功制造出了中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架,幫助一只老鼠恢復(fù)了運動功能。2020年5月5日,中國的長征五號B運載火箭首飛成功,在太空中進(jìn)行了3D打印實驗,是國際上首次在太空中進(jìn)行的復(fù)合材料的3D打印實驗。如圖1所示。

圖1 太空3D打印系統(tǒng)在軌打印的樣件

2 檢測工作目標(biāo)與檢測內(nèi)容

總體工作目標(biāo)是及時提供檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)賽道施工,確保賽道精確建成,有力保障國家重點項目的順利實施和安全運行。綜合利用衛(wèi)星定位、精密水準(zhǔn)和邊角測量等技術(shù),根據(jù)工程進(jìn)度推進(jìn),對施工放樣點進(jìn)行精度檢測,及時提供檢測報告,保證放樣點精度和后續(xù)工序順利進(jìn)行。

在2022北京冬奧會精密檢測工程中,國家雪車雪橇中心賽道工程需要對安裝點進(jìn)行精確的定位,為保證后續(xù)支架的準(zhǔn)確安裝,要求夾具施工精度小于5 mm,施工現(xiàn)場情況復(fù)雜,觀測位置距離點位較遠(yuǎn),給精確觀測帶來不便[5]。鋼結(jié)構(gòu)夾具(簡稱夾具)特征點設(shè)置為精密定位后夾具上分布的4～10個(平均7個)特征點,特征點設(shè)置在夾具每個凸起模塊的左上棱中點。其中直道部分的夾具可設(shè)較少的特征點進(jìn)行檢測,彎道部分的夾具可設(shè)較多的特征點,且特征點盡量設(shè)置在設(shè)計滑行軌跡的部分,入彎和出彎是重點。特征點設(shè)置如圖2～3所示。

圖2 直道部分夾具特征點設(shè)置圖

圖3 彎道部分夾具特征點設(shè)置圖

3 定位模塊需求與3D打印流程

3.1 需求分析

在賽道制冷系統(tǒng)安裝階段,檢測工作在定位管安裝完成后進(jìn)行。夾具檢測點位置如圖4所示。

圖4 夾具檢測點位置

要檢測的是夾具上凸起的鐵塊,測量一律選取該鐵塊前進(jìn)方向左側(cè)棱的中點,即圖4筆尖所指位置。由于夾具設(shè)置的方向、高度、彎曲程度均不同,導(dǎo)致不同位置的檢測點的測量方法也有所不同,如圖5所示,夾具水平段可立棱鏡測量而夾具豎直段不可立棱鏡。

圖5 賽道制冷段安裝過程

除此以外,在檢測過程中發(fā)現(xiàn),綁扎鋼筋網(wǎng)的鐵絲也成為干擾因素,大部分檢測點無法直接觀測,給工作帶來極大困擾,降低了工作效率并且難以確保精度。

根據(jù)夾具本身的特點,設(shè)計了棱鏡組卡扣和既可以利用免棱鏡直接觀測又可以臨時固定棱鏡組的裝置,達(dá)到標(biāo)記明顯、位置固定的效果。

3.2 3D打印工藝流程3.2.1 三維模型設(shè)計

在3D打印的工藝流程中(圖6),第一步就是要在計算機中使用三維設(shè)計軟件進(jìn)行模型的設(shè)計,本工程定位模塊的設(shè)計采用solid works機械設(shè)計軟件,其特點是由尺寸驅(qū)動,即每個設(shè)計的零部件都需要由精確的尺寸來設(shè)定。

圖6 3D打印流程圖

3.2.2三維模型輸出

利用solid works將模型輸出STL格式文件,STL格式是3D打印技術(shù)領(lǐng)域默認(rèn)的模型文件和最普遍常用的數(shù)據(jù)格式[6]。

3.2.3三維模型的分層處理

模塊打印前需要根據(jù)三維模型按照打印成型的高度方向分割成有序的二維層片,稱為切片,根據(jù)定位模塊的需要,利用SIMPLIFY3D軟件將切片高度范圍設(shè)定為0.2 mm,即每隔0.2 mm獲取一次模型輪廓。

3.2.4打印

此步驟是將模型從數(shù)字轉(zhuǎn)為實體的過程。實現(xiàn)3D打印技術(shù)的本質(zhì)即為分層制造并進(jìn)行疊加,將一個三維立體物體通過一層層平面建造疊加實現(xiàn)[7]。定位模塊的打印采用了熔融沉積成形技術(shù)(Fused Deposition Modelling,FDM)[8]進(jìn)行打印。

熔融沉積打印技術(shù)使用的料是熔點偏低的塑料絲或金屬絲,通過噴頭中喉管將打印材料融化成半液體并擠壓出來,根據(jù)已生成的切片擠壓頭沿著每一層的切片輪廓路徑準(zhǔn)確運動,擠壓頭擠出的半液體的低熔點打印材料沉積固化成實際零部件薄層,每一次新打印的薄層都覆蓋在已打印沉積好的累積薄層之上,并在很短的時間內(nèi)凝固,一層成型輪廓打印完成,工作臺便上升或下降一層切片高度,噴頭再進(jìn)行同樣的掃描打印過程,重復(fù)以上沉積步驟,直到最后一層,通過成型部分和支撐部分的相互穿插,逐漸構(gòu)成一個實體零部件[9-10]。

模塊使用的3D打印機是基于XYZ箱體結(jié)構(gòu)的打印機,標(biāo)稱精度XY方向為0.1 mm,Z方向由切片軟件進(jìn)行設(shè)定,模塊采用0.2 mm垂直精度,噴嘴直徑為0.4 mm。

3.2.5后處理

當(dāng)所有的截面都完成后,需要將模型從打印平臺上取出,進(jìn)行最后的處理,根據(jù)需要進(jìn)行打磨、上色,模塊還需要安裝強磁裝置。

4 定位模塊設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

為解決大部分檢測點無法直接觀測的問題,經(jīng)過反復(fù)思考、計算、試驗論證,最終采用方法為徠卡小棱鏡組(A-B鏡)測量法。即利用空間位置關(guān)系,從能觀測到的地方把三維坐標(biāo)傳遞到隱蔽檢測點上，如圖7～8所示。

圖7 雙棱鏡組合模塊

具體方法是,采用3D打印技術(shù)制作一個卡扣,把兩個徠卡小棱鏡無縫連接在一起,組成一個棱鏡組,以確保雙棱鏡中心與棱鏡桿尖端同軸。在圖8的雙棱鏡連接方式中,兩棱鏡不僅達(dá)到了同軸的效果,且兩棱鏡中心理論距離為10 cm。

圖8 雙棱鏡組合使用

立鏡人員把棱鏡組頂端放置在隱蔽檢測點上,測量A棱鏡及B棱鏡三維坐標(biāo)。最終通過嚴(yán)密的計算公式,把三維坐標(biāo)通過兩個小棱鏡傳遞到檢測點上,完成對隱蔽點的測量。

在實際工作中發(fā)現(xiàn),通常小棱鏡組是橫放或斜放于檢測點上的,此時棱鏡上的圓氣泡不能告訴我們棱鏡桿是否有晃動,而這個晃動產(chǎn)生的誤差影響可能會很大。所以，我們在棱鏡桿上捆綁兩根繩索,將其懸掛于鋼筋網(wǎng)上,與棱鏡桿形成一個穩(wěn)定的空間三棱錐結(jié)構(gòu),以保證其穩(wěn)定。此時棱鏡桿與檢測點能否穩(wěn)固連接成了新的問題。

為解決此問題,我們采用3D打印技術(shù)制作了一個邊長2 cm、厚約1 cm的方形定位模塊,該模塊可與夾具完美貼合,模塊內(nèi)嵌磁石,可穩(wěn)妥固定在夾具上,模塊上的錐形孔孔徑依據(jù)小棱鏡桿尖端大小制作,保證棱鏡桿尖端能夠準(zhǔn)確無誤地立于檢測點上。定位模塊樣式如圖9所示。

圖9 定位模塊

棱鏡組及定位模塊現(xiàn)場使用方法如圖10所示。

圖10 雙棱鏡組與定位模塊的生產(chǎn)應(yīng)用

雙棱鏡組計算原理如圖11所示。

圖11 雙棱鏡組測量的數(shù)學(xué)模型

為求得檢測點的X值,公式為：

(1)

根據(jù)上述小棱鏡組制作方法,理論上把兩個小棱鏡組裝在一起,小棱鏡頂端(即檢測點位置)到A小棱鏡中心點理論距離D′應(yīng)與A、B兩個小棱鏡中心點間的理論距離D相等(均為100 mm)。因此A、B間該方向上分量為：

(2)

但A、B小棱鏡之間的實測距離d與其理論距離D不相等,需要引入一個常數(shù)k：

(3)

引入常數(shù)k后,最終A小棱鏡距檢測點之間距離為：

(4)

其他方向增量推算過程同上。

綜上所述,檢測點坐標(biāo)及高程計算公式如下：

對于部分無遮擋的檢測點,利用3D打印技術(shù)設(shè)計出各種模塊,并在模塊表面加貼了觀測用的反射片,大大提高了立鏡人員的工作效率。如圖12所示。

圖12 可用于全站儀觀測的定位模塊

5 夾具檢測結(jié)果

通過采用3D打印技術(shù)設(shè)計出的各種模塊,安置在賽道夾具上,所測坐標(biāo)如表1所示。

表1 S47段夾具檢測坐標(biāo)比對表

通過3D打印技術(shù)設(shè)計出的各種定位模塊,放置在夾具上,隱蔽點測量問題得以徹底解決,并且能在委托方要求的時間內(nèi)快速提交精準(zhǔn)的坐標(biāo)比對數(shù)據(jù)。在未引入上述方法前,大部分隱蔽點無法觀測,需要投入大量人工和時間,或避開現(xiàn)場遮擋物或?qū)ふ铱赏ㄒ暱刂泣c,檢測效率和檢測精度都受到影響。利用上述方法大大提高了工作效率,減少了人工成本和時間成本,也保證了精度。

6 結(jié)束語

利用3D打印技術(shù)解決了棱鏡組精確無縫連接、棱鏡組的固定和可用于全站儀直接觀測的輔助定位模塊。經(jīng)過冬奧會定位模塊的設(shè)計,實現(xiàn)了不同領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的融合,解決了實際生產(chǎn)中的問題,測量定位所需的零部件可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計,3D打印無論在成本、速度和精確度上都優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法,它具有高度柔韌性、個性化和實體自由成型等特點。3D打印機開辟巨大的創(chuàng)新設(shè)計空間,極大地發(fā)揮設(shè)計者的想象力。通過不斷地思考與實踐,3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域會有更廣闊的應(yīng)用空間。