三維激光掃描技術(shù)在盾構(gòu)管片模具檢測(cè)方面的應(yīng)用

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(guó)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(duì)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(cè)手段的落后，管片模具的尺寸檢測(cè)仍為二維檢測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)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(duì)管片模具進(jìn)行整體變形監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)手段，專門組織相關(guān)人員到國(guó)內(nèi)其他城市進(jìn)行了管片模具檢測(cè)新技術(shù)調(diào)研。目前，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)管片檢測(cè)仍停留在管片模具的二維尺寸[1](包括寬度、弧長(zhǎng)、高度、角度)檢測(cè)階段，無(wú)法檢測(cè)管片模具生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的整體變形。

應(yīng)用管片模具檢測(cè)出變形后，也沒(méi)有指導(dǎo)性的修復(fù)依據(jù)。例如，寬度尺寸超過(guò)限差值時(shí)，無(wú)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(duì)于弧長(zhǎng)的檢測(cè)亦是如此?；￠L(zhǎng)是通過(guò)定制的S樣規(guī)進(jìn)行卡位量取，在長(zhǎng)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(cè)，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(duì)盾構(gòu)管片模具進(jìn)行三維檢測(cè)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(hào)：MetraSCAN 750TM/Elite)。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)利用激光測(cè)距原理來(lái)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(guò)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(cè)方面的可行性方案。

2 管片模具三維激光掃描測(cè)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(lái)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(guò)配套軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像[3-5]。在掃描儀移動(dòng)的過(guò)程中，光線會(huì)不斷變化，而軟件會(huì)實(shí)時(shí)識(shí)別這些變化并加以處理。光線投射到掃描對(duì)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(cè)量和自校準(zhǔn)技術(shù)。攝像頭探測(cè)到的定位標(biāo)點(diǎn)圖案和掃描儀相同，通過(guò)空間三角測(cè)量，能夠確定掃描儀(在空間中)的位置。

表面采集通過(guò)觀察投影到待測(cè)物表面上的激光線來(lái)完成，隨著激光掃過(guò)待測(cè)物表面，設(shè)備將根據(jù)空間三角測(cè)量的原理進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。采集到的待測(cè)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(duì)于單個(gè)采集點(diǎn)，原點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的距離為S，掃描儀測(cè)得的水平和豎直角度分別為α和θ，則被測(cè)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(hào)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(cè)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(cè)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(duì)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(wú)誤后，點(diǎn)擊OK接受優(yōu)化。

③檢測(cè)標(biāo)靶

C-Track跟蹤檢測(cè)的范圍為1.5～4.2 m，而管片模具平均長(zhǎng)度為3.4 m，無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)齊

對(duì)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(cè)試模型。利用Geomagic Control中最佳擬合對(duì)齊功能，建立測(cè)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(cè)試模型與參考模型相對(duì)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(cè)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(duì)管片模具進(jìn)行變形檢測(cè)的全過(guò)程中，只有最佳擬合效果不可預(yù)測(cè)，主要對(duì)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(duì)比進(jìn)行分析。第一組(2016.12.17)：對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2、表3，測(cè)量點(diǎn)位置如圖12。

圖12 鋼模測(cè)量點(diǎn)位置

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

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度測(cè)量點(diǎn)B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10檢驗(yàn)工具內(nèi)徑千分尺實(shí)測(cè)尺寸a/mm實(shí)測(cè)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(cè)量值變化較小，平均值為0.06 mm，可以認(rèn)為此兩次測(cè)量鋼模本身及外界環(huán)境條件幾乎無(wú)變化，則三維激光掃描儀兩次測(cè)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(cè)量較差進(jìn)行對(duì)比，并加入第一組數(shù)據(jù)中的三維激光掃描儀測(cè)量誤差，即可驗(yàn)證鋼模發(fā)生變形后對(duì)最佳擬合對(duì)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(cè)試模型；B為標(biāo)準(zhǔn)模型、C為測(cè)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(duì)比(b、c) 模具名稱 B3-13 檢測(cè)日期 2016-12-18

檢驗(yàn)項(xiàng)目寬度測(cè)量點(diǎn)B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10檢驗(yàn)工具內(nèi)徑千分尺實(shí)測(cè)尺寸b/mm實(shí)測(cè)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(duì)比后，可初步認(rèn)定三維激光掃描儀自身測(cè)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(cè)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(cè)量誤差后，與b、c組較差對(duì)比可知，鋼模自身如果發(fā)生變形，對(duì)最佳擬合對(duì)齊影響較小。

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

3.2 實(shí)例分析二

對(duì)使用一定周期后的管片模具進(jìn)行檢測(cè)，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(hào)管片模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此模具在2016年8月17日進(jìn)場(chǎng)(進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)情況見(jiàn)表4)，對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)(上)弧長(zhǎng)(下)測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果見(jiàn)表5)。

以E為參考模型，F(xiàn)為測(cè)試模型，采用Geomagic軟件中最佳擬合對(duì)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(zhǎng)(上)弧長(zhǎng)(下)測(cè)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(cè)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(jiàn)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(cè)時(shí)的外業(yè)測(cè)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(cè)報(bào)告，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了MetraSCAN三維激光掃描儀的測(cè)量誤差及管片模具變形對(duì)最佳擬合對(duì)齊精度的影響。在盾構(gòu)管片模具檢測(cè)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(cè)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(cè)及指導(dǎo)修復(fù)方面的可行性與優(yōu)勢(shì)。

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