三維激光掃描測(cè)量管片鋼模精度分析

杜銀星+襲衛(wèi)兵

摘要：隨著我國(guó)城市地下隧道建設(shè)的飛速發(fā)展，盾構(gòu)法技術(shù)施工已占主體地位，隧道管片制作精度日趨提高，因此對(duì)澆筑管片的鋼模的制造精度也提出了更高的要求?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要制作鋼模的檢測(cè)手段多局限于量具或?qū)Ｓ脴影鍣z測(cè)。文章引入了三維激光掃描技術(shù)，對(duì)管片鋼模的制造工序進(jìn)行了全程檢測(cè)和質(zhì)量控制，為生產(chǎn)高精密鋼模提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；管片鋼模；測(cè)量精度；地下隧道建設(shè)；盾構(gòu)法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P234 文章編號(hào)：1009-2374（2017）07-0103-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.048

鋼筋混凝土襯砌管片需要在高精度鋼模內(nèi)制作成型。鋼模由底模、側(cè)模、端模三部分拼裝而成，整體型腔內(nèi)部組合成和澆筑襯砌環(huán)管片一致的腔體結(jié)構(gòu)。其中型腔寬度公差要求控制在0.5mm范圍內(nèi)，型腔弧長(zhǎng)公差要求控制在0.7mm范圍內(nèi)?；炷凉芷w拼裝后，相鄰環(huán)面間隙和縱縫相鄰塊間隙小于1mm。為達(dá)到這樣的尺寸精度，要求鋼模在制造工藝全流程中嚴(yán)格控制，只有完全符合精度要求的單體結(jié)構(gòu)最終才能裝配出合格的整體鋼模。而常規(guī)的測(cè)量控制工具如千分尺、游標(biāo)深度尺、專用檢測(cè)樣板等僅能測(cè)量單點(diǎn)局部尺寸，不能檢測(cè)整體形位尺寸，單一的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果難以分析制造過(guò)程缺陷和問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，筆者所在公司引入三維激光掃描技術(shù)，利用數(shù)字化檢測(cè)手段對(duì)管片鋼模進(jìn)行全程檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，為產(chǎn)品控制和生產(chǎn)工藝提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)就受到測(cè)量界的廣泛關(guān)注，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)有目共賭。與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，三維激光掃描儀能提供視長(zhǎng)內(nèi)、有效測(cè)程的一定采樣密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且具有較高的測(cè)量精度和極高的數(shù)據(jù)采集效率，可以有效避免傳統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)的局限性和片面性。而且三維激光檢測(cè)技術(shù)對(duì)光線條件沒有要求，能快速直接獲取目標(biāo)物表面所有三維坐標(biāo)，可以利用三維坐標(biāo)重建三維模型，通過(guò)三維坐標(biāo)可以重建物體的線、面、體，進(jìn)行各種計(jì)算、運(yùn)算和分析等。三維激光掃描技術(shù)在建材機(jī)械、工程機(jī)械制造領(lǐng)域極具推廣和現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀如圖1所示。三維激光掃描儀由手持式掃描探頭、筆記本工作站、三維檢測(cè)分析軟件和光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)組成。儀器可以對(duì)工件進(jìn)行整體三維數(shù)據(jù)采集，形成全面的檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表，也可通過(guò)全局定位系統(tǒng)先對(duì)整體工件進(jìn)行全局定位，將整體三維數(shù)據(jù)采集后通過(guò)檢查軟件和理論CAD數(shù)模進(jìn)行三維比較，然后進(jìn)行分析，得出的結(jié)果用色譜圖的形式反映偏差分布情況。最后對(duì)偏差位置進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注，生成詳實(shí)的檢測(cè)報(bào)告。

1.3 三維激光掃描儀的檢測(cè)精度

檢測(cè)最高精度0.01mm，體積精度0.020+0.060mm/m，分辨率0.050mm，檢測(cè)速率480000次測(cè)量/s，掃描區(qū)域275*250mm，基準(zhǔn)距300mm。相對(duì)于管片鋼模要求的尺寸精度而言，三維激光檢測(cè)完全可以滿足使用要求。

2 管片鋼模實(shí)際檢測(cè)案例分析

隧道襯砌環(huán)管片的長(zhǎng)度一般根據(jù)隧道直徑的大小達(dá)到數(shù)米，根據(jù)隧道工程的要求生產(chǎn)管片的鋼模的精度要求一般以0.01mm級(jí)別測(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(guò)改善工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量。三維激光掃描技術(shù)用于管片鋼模的生產(chǎn)檢測(cè)，并通過(guò)檢測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行反饋修正，全面控制單件尺寸和整體鋼模拼裝形位尺寸。

2.1 管片鋼模的組成部分

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 端模檢測(cè)

端模是管片鋼模的端部組件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面板加工型面長(zhǎng)寬比較小。常用的制造工藝是組焊后整體退火消除內(nèi)應(yīng)力，最后整體數(shù)控機(jī)加成型。數(shù)控機(jī)加時(shí)采用焊接臨時(shí)壓板方式裝卡。傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法為百分表檢查和刀口尺檢查平面度，但弧度及微小的斜面尺寸卻難以檢測(cè)，激光掃描技術(shù)卻以輕松解決測(cè)量難題。經(jīng)三維激光檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和理論三維模型擬合對(duì)比，用顏色譜圖的形式反映偏差分布情況。具體圖譜報(bào)告如圖2所示：

通過(guò)色制圖譜分析判斷，端模加工表面多呈綠色，且色制均勻，說(shuō)明整面加工精度基本符合要求，僅在角落處有顏色突變，其中紅顏色代表向上凸起，藍(lán)顏色代表塌陷，證明存在微量的機(jī)加缺陷。經(jīng)工藝跟蹤檢查發(fā)現(xiàn)，變形處恰在焊接工藝裝卡壓板區(qū)域，微量變形和焊接工藝裝卡壓板有關(guān)。綜合焊接應(yīng)力和加持點(diǎn)狀態(tài)分析，出現(xiàn)變形的主因在于焊接工藝壓板的不合理。根據(jù)這次檢驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整加工工藝，取消壓板裝卡方式，改用專用工裝夾持固定機(jī)加，及時(shí)消除影響尺寸精度的不利因素。

2.3 側(cè)模檢測(cè)

側(cè)模是管片鋼模中機(jī)加量最大的工件，其結(jié)構(gòu)形式呈弧形，機(jī)加表面和襯砌管片腔面一致，多具有凹凸榫型結(jié)構(gòu)，相比端模復(fù)雜許多。利用常規(guī)的檢測(cè)工量具，如游標(biāo)卡尺、專用樣板、刀口尺、塞尺等，對(duì)關(guān)鍵的直線間距、凹凸榫型角度和整體平面度等關(guān)鍵行為尺寸都難以精準(zhǔn)測(cè)量。常規(guī)的測(cè)量數(shù)據(jù)僅能得出局部尺寸，受人工和環(huán)境溫度影響較大，難以追溯加工制造問(wèn)題。使用激光三維檢測(cè)技術(shù)卻完全彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。經(jīng)三維激光檢測(cè)，得出色制圖譜報(bào)告如圖3所示：

通過(guò)色制圖譜分析判斷，側(cè)模加工表面色制差異較大，藍(lán)色區(qū)域表示整體下凹，紅色區(qū)域代表整體上凸，中間綠色和黃色區(qū)域基本符合精度要求，整體型面呈中間凸起，兩邊凹陷的變形缺陷。經(jīng)分析機(jī)加工藝，在側(cè)模機(jī)械加工過(guò)程中，深藍(lán)色區(qū)域恰巧是起始加工區(qū)域，證明存在刀具加工過(guò)程中磨損現(xiàn)象。整體變形規(guī)律說(shuō)明加工過(guò)程中產(chǎn)生切削熱量較大，刀具走刀切削深度和進(jìn)給量設(shè)置較大，導(dǎo)致中間側(cè)模中部回彈，最終形成翹曲表面。連續(xù)機(jī)加，在最后的精加工工序前未能讓工件充分釋放切削應(yīng)力。

就此分析，對(duì)機(jī)加工藝做以下五點(diǎn)改善：（1）嚴(yán)格執(zhí)行焊后整體退火工藝，充分消除結(jié)構(gòu)件焊接內(nèi)應(yīng)力；（2）重新調(diào)整數(shù)控機(jī)床加工切削數(shù)據(jù)參數(shù)，采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給量、小切削深度的工藝方案；（3）精加工前，對(duì)工件整體松卡、靜置一定工藝時(shí)間，任由側(cè)模自由變形，釋放內(nèi)部切削應(yīng)力；（4）使用優(yōu)質(zhì)刀具加工，尤其控制最后表面成型精加工工序換用嶄新刀具完成最后型面加工；（5）改進(jìn)專用裝卡工裝，使側(cè)模的固定點(diǎn)增多、頂實(shí)，避免側(cè)模工件在切削力作用下變形。經(jīng)過(guò)以上五點(diǎn)工藝改進(jìn)，實(shí)踐證明后續(xù)側(cè)模加工質(zhì)量顯著提高。

2.4 整體裝配后鋼模型腔檢測(cè)

端模、側(cè)模底模整體拼裝后，利用三維檢測(cè)環(huán)寬尺寸和型腔弧長(zhǎng)尺寸及相關(guān)型腔形位尺寸可以全面分析裝配鋼模質(zhì)量。經(jīng)三維激光檢測(cè)，得出的型腔色制圖譜報(bào)告如圖4所示：

通過(guò)色制圖譜分析判斷，藍(lán)色區(qū)域表示整體下凹，紅色區(qū)域代表整體上凸，綠色、黃色區(qū)域基本符合精度要求，證明整體型腔存在一定變形缺陷。主要影響型腔整體變形部件是底模，尤其是底模面板的整體形位控制是關(guān)鍵。就此對(duì)底模制造的制造工藝進(jìn)行改善：（1）嚴(yán)格控制底模面板卷板精度，利用數(shù)控卷板機(jī)卷制高精度弧形面板；（2）設(shè)計(jì)、制造專用組焊胎具，組焊時(shí)通過(guò)胎具限制底模面板變形。所有和面板接觸的結(jié)構(gòu)筋板、肋板等組對(duì)時(shí)全部執(zhí)行磨光頂緊的組對(duì)工藝，避免組對(duì)間隙和焊接收縮變形；（3）制定合理的焊接工藝，盡量采用交錯(cuò)斷續(xù)焊接，并合理設(shè)計(jì)焊縫間距和焊角尺寸；（4）設(shè)計(jì)制作專用的底模整體形位檢側(cè)工裝，利用整體檢測(cè)工裝，嚴(yán)格控制底模制造過(guò)程質(zhì)量；（5）底模焊后嚴(yán)格執(zhí)行退火工藝，充分消除內(nèi)應(yīng)力。

2.5 全程跟蹤管片鋼模全部工序

利用激光掃描技術(shù)，全程跟蹤管片鋼模從機(jī)械加工到整體組裝的全部工序，通過(guò)詳實(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)告和色制圖譜，可以及時(shí)找出制造缺陷問(wèn)題和變形規(guī)律，以便及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝。通過(guò)對(duì)底模、側(cè)模和端模的色制圖譜分析，找出結(jié)構(gòu)制造和機(jī)械加工過(guò)程中的缺陷和不足，通過(guò)工藝優(yōu)化最大限度避免了加工缺陷和組裝超差。實(shí)踐證明，上述工藝改進(jìn)有力保障了鋼模整體精度和質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上三維激光掃描技術(shù)在管片模具生產(chǎn)中的實(shí)際使用得出以下結(jié)論：（1）三維激光檢測(cè)技術(shù)在建材機(jī)械和工程機(jī)械生產(chǎn)的各個(gè)工序是異形件測(cè)繪、檢驗(yàn)的有力工具，值得推廣應(yīng)用；（2）三維檢測(cè)技術(shù)可以充分全面獲取裝配后管片模具的環(huán)寬、弧長(zhǎng)、深度等關(guān)鍵尺寸，可以得到最佳平面度、圓心角、邊角和錐角等其他方面的數(shù)據(jù)，這為修配整體鋼模和預(yù)測(cè)管片拼裝質(zhì)量提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。此外，還可以通過(guò)鋼模變形色譜圖現(xiàn)實(shí)的調(diào)整數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整鋼模；（3）通過(guò)三維檢測(cè)技術(shù)在管片模具過(guò)程生產(chǎn)中各個(gè)工序的數(shù)據(jù)檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)全流程環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，以便及時(shí)糾正和解決，為最終管片模具的整體質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；（4）通過(guò)大量的鋼模檢測(cè)數(shù)據(jù)資料匯總分析，得出管片鋼模隨環(huán)境溫度、工藝流程、生產(chǎn)批量等變化因素的變形規(guī)律，得出有益的結(jié)論，從而更有效地控制管片鋼模的批量生產(chǎn)質(zhì)量。希望通過(guò)本案例應(yīng)用的介紹，能為同類產(chǎn)品制造提供借鑒和參考，使三維檢測(cè)這項(xiàng)技術(shù)的效能得到充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：杜銀星（1978-），男，河北秦皇島人，秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司模具技術(shù)部工程師，研究方向：工程機(jī)械。

（責(zé)任編輯：蔣建華）