潘偉捷

（上海隧道工程有限公司構(gòu)件分公司，上海市 200127）

0 引言

鋼筋混凝土襯砌段需要在高精度鋼模具中成型。鋼模由下模、側(cè)模和端模三部分組成。要求腔寬公差控制在0.5mm范圍內(nèi)，腔弧長(zhǎng)公差控制在0.7mm范圍內(nèi)。

混凝土管片整體拼裝后，相鄰環(huán)面與縱縫相鄰塊體之間的間隙小于1mm。為了達(dá)到這樣的尺寸精度，鋼模具在整個(gè)制造過(guò)程中都需要嚴(yán)格控制，只有完全滿(mǎn)足精度要求的單一結(jié)構(gòu)才能組裝成合格的整體鋼模具。

然而，傳統(tǒng)的測(cè)控工具如千分尺、游標(biāo)深度尺、專(zhuān)用檢測(cè)樣品等只能測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的局部尺寸，不能檢測(cè)整體形狀和位置尺寸。單一的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果很難分析制造工藝缺陷和問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，我們介紹了鋼管片模具的激光測(cè)量與掃描技術(shù)，并利用數(shù)字化檢測(cè)手段對(duì)鋼管片模具進(jìn)行了全過(guò)程檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為產(chǎn)品控制和生產(chǎn)過(guò)程提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持[1]。

1 鋼模激光測(cè)量裝置簡(jiǎn)介

1.1 鋼模激光測(cè)量技術(shù)概述

與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，鋼模具激光測(cè)量技術(shù)可以在表觀(guān)長(zhǎng)度和有效范圍內(nèi)提供具有一定采樣密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有較高的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集效率，有效地避免了傳統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的局限性和片面性。鋼模具激光測(cè)量技術(shù)對(duì)光照條件沒(méi)有要求，可以快速直接獲得目標(biāo)表面所需要的所有坐標(biāo)，可以利用坐標(biāo)之間的距離來(lái)計(jì)算、檢測(cè)鋼模具的尺寸。鋼模具激光測(cè)量技術(shù)在建材機(jī)械和工程機(jī)械制造領(lǐng)域具有重要意義。

1.2 鋼模激光測(cè)量裝置簡(jiǎn)述

裝置組成：感測(cè)頭（2個(gè)），放大器（2個(gè)，型號(hào)：1L-1000），DL-RS1A通信模塊（2個(gè)），232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)化器（2個(gè)，型號(hào)：OP-84114），手持電腦，線(xiàn)纜及電池。

首先，將傳感器放大器與DL-RS1A連接；然后，將放大器與感測(cè)頭相連、通信模塊與232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)化器相連；最后，把放大器和電源連接，轉(zhuǎn)換器的USB插入電腦。如果這時(shí)電腦已安裝USB轉(zhuǎn)RS232串口驅(qū)動(dòng)程序和串口調(diào)試助手，那么串口調(diào)試助手即可監(jiān)聽(tīng)通信模塊的串口號(hào)（見(jiàn)圖1），之后就進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

圖1 激光裝置連接方式

1.3 鋼模激光測(cè)量裝置的測(cè)量精度

鋼模激光測(cè)量裝置的最高測(cè)量精度為0.01mm，對(duì)于管片鋼模要求的尺寸精度而言，鋼模激光測(cè)量完全可以滿(mǎn)足使用要求。

2 管片鋼模實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)分析

根據(jù)隧道直徑的大小，隧道襯砌環(huán)管片的長(zhǎng)度一般可達(dá)數(shù)米。根據(jù)隧道工程的要求，生產(chǎn)管片的鋼模精度要求一般以0.01mm級(jí)別進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)。這樣的高精度是鋼結(jié)構(gòu)制造中比較少見(jiàn)的，也是管片鋼模具不同于其他模具的技術(shù)難點(diǎn)。就此對(duì)一組典型的6m系列管片鋼模部件進(jìn)行了全程跟蹤檢驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)論分析生產(chǎn)工藝中存在的不足和缺陷，通過(guò)改善工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 管片鋼模的組成部分

管片鋼模一般由兩個(gè)側(cè)模、兩個(gè)端模、一個(gè)底模和相關(guān)附件組成。兩個(gè)側(cè)模形成的檔距尺寸是環(huán)寬尺寸，兩個(gè)端模間的尺寸是弧長(zhǎng)尺寸，底模至側(cè)模頂面的尺寸是深度尺寸。這三組尺寸是管片鋼模裝配后的關(guān)鍵控制尺寸。為達(dá)到裝配后整體尺寸合格，必須嚴(yán)格控制單件的尺寸精度，及時(shí)修正過(guò)程缺陷是關(guān)鍵。

2.2 鋼模激光測(cè)量試驗(yàn)步驟

（1）根據(jù)鋼模和測(cè)量精度要求確定圓形貼紙的直徑。不同寬度為1200mm、1500mm、2000mm；不同精度要求為0.05~0.1mm。若最大允許誤差MPE=0.1mm，通過(guò)計(jì)算得知圓的直徑最大值Dmax≈15.49mm。為了保證最后結(jié)果偏差較小，本次采用直徑10mm的圓形貼紙。

（2）打開(kāi)手持電腦的數(shù)據(jù)采集界面和串口調(diào)試助手（兩個(gè)），并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再發(fā)送至設(shè)置區(qū)域中，設(shè)置數(shù)據(jù)流循環(huán)發(fā)送、確定串口設(shè)置的串口號(hào)以及發(fā)送串口數(shù)據(jù)接收（見(jiàn)圖2）。

圖2 串口調(diào)試助手界面示意圖

（3）將圓形貼紙盡可能對(duì)稱(chēng)地貼于鋼模兩側(cè)（見(jiàn)圖3），鋼模設(shè)置3組，共6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將圓形貼紙貼于鋼模管片兩測(cè)量點(diǎn)的中點(diǎn)，應(yīng)貼6個(gè)圓片。

圖3 鋼模上的圓形貼紙

（4）使用時(shí)，按下開(kāi)關(guān)，將測(cè)桿盡量對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)圓心，當(dāng)確保左右兩個(gè)激光測(cè)距儀的激光束在圓內(nèi)時(shí)，并且兩個(gè)放大器上都有讀數(shù)，松開(kāi)開(kāi)關(guān)，在5s內(nèi)放大器會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)。

（5）如圖4所示，輸送至后臺(tái)PAD，加上桿長(zhǎng)整合處理算出結(jié)果。最終結(jié)果雖然不是真實(shí)鋼模寬度，但是這次實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，對(duì)于同一位置多次測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，若有他人協(xié)助，誤差可以控制在0.01~0.1mm之間。

圖4 鋼模激光測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 鋼模激光測(cè)量試驗(yàn)應(yīng)用情況分析

目前加工制作的激光測(cè)量試驗(yàn)裝置已經(jīng)能夠完成管片鋼模的測(cè)量和數(shù)據(jù)導(dǎo)出操作，具有一定適用性，但是在多次試驗(yàn)和應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該裝置仍存在部分不足，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）由于圓直徑較小，加之本次貼紙顏色和鋼模顏色相近，在測(cè)量時(shí)，激光難以識(shí)別到鋼模上的貼紙，造成單人測(cè)量時(shí)“顧左顧不了右”的情況，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。

（2）此次所有設(shè)備重量都集于測(cè)量桿上，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致工作人員胳膊酸累，造成測(cè)量桿不穩(wěn)，使問(wèn)題（1）更為嚴(yán)重。

2.4 改進(jìn)后鋼模激光測(cè)量試驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置存在的不足，對(duì)裝置的優(yōu)化研究主要集中在兩個(gè)方面：

（1）信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸

原來(lái)的測(cè)量信號(hào)傳輸過(guò)程為：CMOS激光位移傳感器—放大器單元—RS232串口—USB串口—上位機(jī)。這種傳輸過(guò)程需要將信號(hào)通過(guò)有線(xiàn)的方式從測(cè)量?jī)x傳入上位機(jī)。攜帶上位機(jī)的測(cè)量人員操作時(shí)不能遠(yuǎn)離測(cè)量?jī)x，且在操作過(guò)程中要關(guān)注傳輸線(xiàn)的纏繞問(wèn)題。

改進(jìn)后的信號(hào)傳輸過(guò)程為：CMOS激光位移傳感器—放大器單元—RS232串口—TTL串口—HC-05藍(lán)牙模塊—上位機(jī)。這種傳輸方式可以通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊將信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸。

改進(jìn)后的測(cè)量?jī)x可以解決操作過(guò)程中傳輸線(xiàn)的纏繞問(wèn)題。在操作過(guò)程中由于沒(méi)有傳輸線(xiàn)的干擾，操作人員的行動(dòng)也會(huì)更加方便。尤其在操作人員進(jìn)入鋼模的過(guò)程中，原來(lái)有線(xiàn)傳輸，操作人員進(jìn)入鋼模需要有第二人幫助，改進(jìn)后可以單人進(jìn)入鋼模。

（2）設(shè)備時(shí)間移動(dòng)式測(cè)量

原測(cè)量?jī)x需要通過(guò)磁吸塊進(jìn)行定位，但由于鋼模不平整，很多位置固定磁吸塊困難，因此需要調(diào)整測(cè)量方式。調(diào)整后，測(cè)量方式改成手持式測(cè)量，操作人員按下測(cè)量按鍵后，測(cè)量?jī)x開(kāi)始測(cè)量，操作人員控制測(cè)量?jī)x的激光打在測(cè)量點(diǎn)上，直到測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量值。如圖5所示，測(cè)量?jī)x會(huì)每隔0.5s讀取一次數(shù)據(jù)，讀取20組有效數(shù)據(jù)后取測(cè)量值的最小值為實(shí)際測(cè)量值。

圖5 實(shí)際測(cè)量界面圖

與原來(lái)的測(cè)量方式相比較，手持式測(cè)量可以避免鋼模表面不平整帶來(lái)的測(cè)量困難，只需要操作人員手持測(cè)量?jī)x使激光對(duì)準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)即可完成測(cè)量。對(duì)準(zhǔn)過(guò)程允許操作人員適度偏移，系統(tǒng)會(huì)選取最短的測(cè)量值作為實(shí)際測(cè)量值。這種手持式測(cè)量方式，僅需一人即可完成測(cè)量任務(wù)，而原來(lái)的測(cè)量方式需要第二位操作人員幫助安裝磁吸塊。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和測(cè)量，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的裝置能夠滿(mǎn)足使用要求，是可行的。同時(shí)，對(duì)該裝置進(jìn)行了優(yōu)化，使其更加適用和安全，形成了一種新的管片鋼模具激光快速測(cè)量工藝。主要研究結(jié)論如下:

（1）管片鋼模具激光測(cè)量技術(shù)是建材機(jī)械和工程機(jī)械生產(chǎn)各個(gè)過(guò)程中對(duì)異型件進(jìn)行測(cè)繪和檢測(cè)的有力工具，值得推廣應(yīng)用；

（2）通過(guò)激光測(cè)量得出的數(shù)據(jù)與鋼模標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)鋼模生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，以便及時(shí)糾正并解決，為生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，保證管片生產(chǎn)的整體質(zhì)量。

（3）通過(guò)管片鋼模具激光測(cè)量試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中存在的缺陷和不足，及時(shí)進(jìn)行糾正。經(jīng)過(guò)校正的設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，讀取速度更快，為獲得更準(zhǔn)確的鋼模具檢測(cè)數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

（4）通過(guò)總結(jié)和分析大量的鋼模具測(cè)試數(shù)據(jù)，歸納鋼模尺寸的變化規(guī)律與環(huán)境溫度、工藝流程、生產(chǎn)批量以及其他因素的影響關(guān)系，從而得出相應(yīng)的結(jié)論，可以對(duì)鋼模的大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制。希望本案例的應(yīng)用能為同類(lèi)產(chǎn)品的制造提供參考，使鋼模激光測(cè)量技術(shù)得到充分發(fā)揮[1]。