潘偉捷
(上海隧道工程有限公司構(gòu)件分公司,上海市 200127)
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)制造過程中都需要嚴(yán)格控制,只有完全滿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題。為了解決這一問題,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)行了全過程檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析,為產(chǎn)品控制和生產(chǎn)過程提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持[1]。
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。
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)聽通信模塊的串口號(hào)(見圖1),之后就進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。
圖1 激光裝置連接方式
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)量完全可以滿足使用要求。
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,通過改善工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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)修正過程缺陷是關(guān)鍵。
(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)稱地貼于鋼模兩側(cè)(見圖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),松開開關(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
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),使問題(1)更為嚴(yán)重。
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)無線傳輸
原來的測(cè)量信號(hào)傳輸過程為:CMOS激光位移傳感器—放大器單元—RS232串口—USB串口—上位機(jī)。這種傳輸過程需要將信號(hào)通過有線的方式從測(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,且在操作過程中要關(guān)注傳輸線的纏繞問題。
改進(jìn)后的信號(hào)傳輸過程為: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HC-05藍(lán)牙模塊將信號(hào)發(fā)送至上位機(jī),實(shí)現(xiàn)無線傳輸。
改進(jìn)后的測(cè)量?jī)x可以解決操作過程中傳輸線的纏繞問題。在操作過程中由于沒有傳輸線的干擾,操作人員的行動(dòng)也會(huì)更加方便。尤其在操作人員進(jìn)入鋼模的過程中,原來有線傳輸,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),而原來的測(cè)量方式需要第二位操作人員幫助安裝磁吸塊。
通過對(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)過程中存在的問題,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)量過程中存在的缺陷和不足,及時(shí)進(jìn)行糾正。經(jīng)過校正的設(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]。