盾構管片模具三維激光掃描檢測關鍵技術

汪玉華，黃 毅

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.寧波市軌道交通集團有限公司，寧波 315012)

引言

管片模具作為盾構管片生產的載體，其尺寸精度直接決定管片生產的尺寸精度[1]，而提高管片尺寸的生產精度是減少成型隧道管片破損、滲漏等病害的前提。目前盾構管片模具檢測主要有傳統(tǒng)的人工檢測和激光跟蹤測量兩種方法。傳統(tǒng)的人工檢測是利用千分尺、高度尺、樣規(guī)在管片模具的特定位置分別對其內腔的寬度、高度、弧長進行檢測[2]，其缺陷是測量點位少，只能靠有限的幾個點位來判斷模具的整體變形情況，精度無法得到保證，且寬度和弧長的檢測結果也只能反映出兩側模、端模之間的相對變形，無法直觀地表達模具各個型面的絕對變形情況，不能很好地指導模具修復工作，直接影響到盾構管片尺寸的生產精度。激光跟蹤測量系統(tǒng)是建立在激光干涉長度測量和角度精密測量基礎上的極坐標測量系統(tǒng)，通過跟蹤儀實時跟蹤帶有棱鏡的跟蹤球來確定跟蹤球所在點的坐標。紅外跟蹤測量技術在進行管片模具檢測時，其檢測點位雖比傳統(tǒng)的人工檢測點位多，但仍不足以覆蓋整個面，僅測出了各個型面的邊線，然后通過邊線擬合出整個面，仍然無法得出各個型面的變形情況。

由于三維激光掃描技術突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段，且三維激光掃描技術具有快速性、不接觸性、實時、高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性，已被廣泛應用在測繪工程、結構測量、古建筑保護、災害評估、機械設計與制造、數(shù)字城市等方面[3-20]。寧波市軌道交通首次將三維激光掃描技術引進到管片模具檢測當中，成功地克服了現(xiàn)有的模具檢測中存在的測量點位少、精度低等缺點，實現(xiàn)了對管片模具的全方位檢測，大大提高了管片模具的檢測精度，確保了管片尺寸的生產精度，同時也延長了模具的使用壽命，取得了良好的經濟效益與社會效益。

1 工程概述

寧波市軌道交通盾構隧道采用帶凹凸榫槽的通用環(huán)管片，管片外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，環(huán)寬1 200 mm，每環(huán)由6塊管片構成，其中含標準塊3塊(B1、B2、B3)，三塊夾角均為67.5°，鄰接塊2塊(L1、L2)，兩塊夾角均為68.75°，封頂塊1塊(K)，夾角為20°，管片楔形角為20′37.59″，楔形量為37.2 mm，封頂塊中間位置為管片環(huán)寬度最小處，寬度為1 181.4 mm；中間標準塊(B3)的中間位置為管片環(huán)寬度最大處，寬度為1 218.6 mm。在管片拼裝過程中，帶凹凸榫槽的通用環(huán)管片對管片尺寸的精度要求比較高，不然很容易出現(xiàn)破損、開裂及滲漏，因此應加強對管片模具進行檢測，提高其檢測精度，以達到提高管片尺寸精度的目的。

2 三維激光檢測關鍵技術

2.1 設備的選型

目前三維激光掃描儀根據(jù)不同行業(yè)、不同領域的應用需求不同，其種類比較多，三維激光掃描系統(tǒng)按照載體的不同，又可分為機載式、車載式、軌道式和便攜移動型(有手持式，背包式，推車式)等；按激光發(fā)射器測距原理分為脈沖測距式、相位干涉式、立體相機和機構化光源技術(三角測量)等。

盾構管片是在生產車間進行生產，因其模具一般都比較笨重，最大一塊模具(B3塊)質量達5 t，尺寸為4 000 mm×1 600 mm×1 400 mm，內腔深度350 mm，所以模具檢測場地一般就近選擇在管片生產車間內，同時模具的檢測精度要求非常高，達到0.1 mm級，因此在綜合考慮管片模具的檢測精度、尺寸大小、檢測空間及檢測環(huán)境等，最終選用MetraSCAN750TM手持式三維激光掃描儀。MetraSCAN750TM手持式三維激光掃描儀自帶校準功能，包括C-Track(跟蹤器)、MetraSCAN 3D(掃描儀)、C-Track校準棒、MetraSCAN 3D校準板、磁力定位標靶(貼片式定位標靶)、筆記本電腦及相關軟件等，其中MetraSCAN 3D(掃描儀)配有一部635 nm的紅色線激光閃光燈，C-Track(跟蹤器)配有兩個工業(yè)相機。見圖1。

圖1 MetraSCAN750TM三維掃描儀

MetraSCAN750TM手持式三維激光掃描儀主要參數(shù)如表1所示。

表1 MetraSCAN750TM三維掃描儀主要設備參數(shù)

工作時將激光線照射到物體上，兩個相機來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發(fā)生反射和折射，然后這些信息會通過第三方軟件轉換為3D圖像。同時使用反光型定位標靶，與掃描軟件配合使用，支持攝影測量和自校準技術。攝像頭探測到的定位標點圖案和掃描儀相同，通過三角測量，配套軟件能夠確定掃描儀(在空間中)的位置。

2.2 點云數(shù)據(jù)的拼接

三維激光掃描儀每個測站掃描的數(shù)據(jù)都是獨立的自由坐標系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理時必須要將多次(測站)掃描得到的點云數(shù)據(jù)合并到一個統(tǒng)一坐標系進行拼接處理。目前點云拼接方式主要有雙站方式、全局方式和絕對方式3種，其中雙站方式和全局方式屬于相對定位，測站間或區(qū)段間的銜接需要有搭接區(qū)域，如果測站或區(qū)段過多，存在著較大的誤差傳遞，適合于中、小范圍的掃描；絕對方式屬于絕對定位，需提前布設導線網和調和高程控制網，測站間不需要搭接，適合于大、中范圍的掃描。

C-track(跟蹤器)跟蹤檢測的范圍為1.5～4.2 m，管片模具平均長度約為3.4 m，其中最大一塊長度為4 m。雖然都在檢測范圍之內，但由于各塊模具中間弧度落差較大，C-track(跟蹤器)檢測視角受到干擾，無法一次捕捉到管片模具上所有的定位標靶。因此，需通過兩次設站分別對定位標靶進行捕捉。由于只有兩個測站，不存在誤差傳遞的影響因素，采用雙站方式實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的拼接，同時通過增加搭接處標靶數(shù)量來提高點云拼接的精度，搭接標靶數(shù)量不少于4個。

2.3 掃描分辨率的選取

掃描的分辨率指掃描的點采樣間隔，反映了對物體掃描的精細程度。掃描分辨率越高，掃描的測點越密集，物體被掃描得越精細，精度也就越高，但所需掃描時間也越長。因此管片模具三維激光掃描分辨率的選取應綜合考慮掃描精度、作業(yè)效率等因素，現(xiàn)場采用1 mm。

2.4 基準模型及對齊方式的選擇

模具檢測時，需將每次掃描的三維模型同基準模型進行對比，其偏差值即為模具的變形值，所以基準模型及對齊方式選擇是否合適將直接決定著檢測結果的精度。

基準模型選取有兩種，一為模具加工時的設計模型，如圖2所示；二為進場驗收合格后第一次掃描得到的模型，如圖3所示。模型對齊也有兩種，一種為特征對齊，利用特征的點、線、圓、面、球、圓柱、圓錐等進行點與點重合、線與線共線、矢量平行/同向/重合、平面共面等；另一種為最佳擬合，利用檢測模型質心、最小慣性主軸，完成基準模型與檢測模型的質心、最小慣性主軸的重合，達到曲面匹配的目的。

圖2 設計模型

圖3 掃描模型

(1)采用特征對齊進行擬合

在采用設計模型作為基準模型進行特征擬合對齊時，如圖4所示，坐標系Y方向可以使用兩塊側模作為約束，X方向可以使用兩個端模作為約束，Z方向只能使用底模擬合的圓柱作為約束，但是使用曲面擬合圓柱的效果很差，擬合出來的圓柱直徑D為5 480.860 6 mm，如圖5所示，而管片內徑只有5 500 mm，兩者相差達到了20 mm，將擬合出的圓柱進行對齊時誤差太大，顯然無法滿足檢測精度要求。采用進場驗收合格后第一次掃描得到的模型作為基準模型進行特征擬合對齊，同樣存在底面擬合圓柱精度不足的問題。

圖4 設計模型作為基準模型特征擬合對齊

圖5 掃描模型底面擬合圓柱

(2)采用最佳擬合進行對齊

如采用設計模型作為基準模型進行最佳擬合對齊時，由于設計模型沒有手孔盒，實測模型有手孔盒，對齊結果會受到手孔盒的影響，造成擬合誤差較大；如采用進場驗收合格后第一次掃描得到的模型作為基準模型，則不受手孔盒的影響，為了驗證其對齊精度，現(xiàn)場進行了兩次試驗：一次假設模具沒有變形，另一次假設模具已經變形。

①假設模具沒有變形

現(xiàn)場對同一塊模具連續(xù)進行兩次掃描，將兩次掃描結果采用最佳擬合方式進行對齊，其3D色譜偏差如圖6所示，其差值為儀器測量誤差及最佳擬合對齊誤差之和，而儀器的空間精度已知，由此可以計算最佳擬合對齊的誤差。

圖6 兩次掃描3D色譜偏差

從兩次掃描結果對比看，其差值均在0.13 mm之內，而設備標稱體積精度為0.044 mm+0.025 mm/m，模具長度約為3.4 m，掃描結果理論測量精度為0.129 mm，則最佳擬合對齊精度在0.01 mm數(shù)量級，滿足管片模具檢測精度要求。

②假設模具已經變形

現(xiàn)場對一塊管片模具進行兩次掃描檢測，第一次掃描完成后將模具兩塊側模輕微打開，再進行第二次掃描，在兩次掃描前分別用傳統(tǒng)檢測方法內徑千分尺(精度0.02 mm)對模具的寬度進行測量(傳統(tǒng)檢測方法中只有寬度測量相對精確)，通過傳統(tǒng)檢測方法兩次測量的寬度差值可以看出模具前后的變形情況，再將兩次掃描檢測結果進行對齊，其3D色譜偏差如圖7所示。其差值減去模具變形的數(shù)值后，即為儀器測量誤差及最佳擬合對齊誤差之和，由此可以計算在管片模具發(fā)生變形后最佳擬合對齊的精度是否會受影響。

圖7 兩次掃描3D色譜偏差

現(xiàn)場內徑千分尺測量點位對應圖7中的002-009、003-008處，其兩次差值分別為-2.15，-2.38 mm；現(xiàn)場兩次掃描結果對比，測點002與008偏差之和為-2.04 mm，測點003與008偏差之和為-2.33 mm，采用兩種檢測方法的結果差值在0.15 mm之內。因設備標稱體積精度為0.044 mm+0.025 mm/m，模具長度約為3.4 m，掃描結果理論測量精度為0.129 mm，則最佳擬合對齊精度在0.01 mm數(shù)量級，滿足管片模具檢測精度要求。

因此在管片模具三維激光掃描時，選用進場驗收合格后第一次掃描得到的模型作為基準模型，選用最佳擬合方式對模型進行對齊。

2.5 檢測標準的制定

(1)現(xiàn)有的檢測標準

現(xiàn)有規(guī)范中對盾構管片模具及管片尺寸的偏差允許值如表2、表3所示。

表2 管片模具的偏差允許值

表3 管片的偏差允許值

現(xiàn)有的檢測標準與傳統(tǒng)的檢測手段是相對應的，僅是一個相對變化量，而不是絕對變化量，當發(fā)生兩塊側?；蚨四Ｏ蛲粋€方向變形時，有可能出現(xiàn)模具實際變形已經很大，但檢測的結果是合格的現(xiàn)象。在實際工程建設中，部分城市建設單位對管片生產廠家提出了更高要求，如寧波軌道交通對管片模具偏差允許值要求如表4所示。

表4 寧波軌道交通管片模具的偏差允許值

(2)管片模具三維激光掃描檢測標準的制定及修復

管片模具三維激光掃描儀檢測結果可以準確顯示兩塊側(端)模的變形方向和變形量，以此結果來指導管片模具修復時，修復結果能夠精確控制，進而準確控制管片尺寸偏差。因此，在確定管片模具三維激光掃描檢測結果判定標準時，可以綜合考慮現(xiàn)有規(guī)范中管片模具、管片尺寸的偏差允許值及管片模具偏差值對管片模具修復的影響程度來制定。

結合試驗確定的三維激光掃描儀測量精度、自動擬合對齊精度及現(xiàn)場實際情況確定管片模具三維激光掃描檢測結果判定標準如表5所示。若實測偏差小于偏差值1，則可以繼續(xù)生產；實測偏差值大于偏差1但是小于偏差2，該鋼模需在生產線上進行必要的維修保養(yǎng)；若實測偏差大于偏差值2，則必須撤下生產線進行修復，并在修復完成后重新進行檢測，檢測合格后方可用于生產。

表5 管片模具三維激光掃描檢測結果判定標準

3 結論與建議

(1)利用三維激光掃描技術對管片模具進行檢測，成功地實現(xiàn)了管片模具變形的可視化表達，解決了傳統(tǒng)人工檢測方法中檢測點位少、精度低，弧長和寬度只能檢測絕對變形的缺點，提高了管片模具的檢測精度。

(2)通過試驗驗證了采用第一次掃描結果作為基準模型、最佳擬合作為對齊方式的數(shù)據(jù)處理方法的可行性，為管片模具三維激光掃描檢測提供了理論支撐。

(3)在參考現(xiàn)有規(guī)范及經驗的基礎上，結合三維激光掃描技術的特點，制定出了三維激光掃描檢測標準，使管片模具修復更準確，更有針對性，且節(jié)省了修復時間，提高了經濟效益。

(4)管片模具三維激光掃描檢測時，應將模具內腔清理干凈，合模時應嚴格按照相關要求進行操作。

(5)三維激光掃描儀對外部條件要求相對較高，檢測過程中應避免溫差過大。