胡靈斌,夏月,李靖
(中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200032)
單樁基礎(chǔ)是海上風(fēng)電場建設(shè)中最常用的基礎(chǔ)形式之一,與普通鋼管樁相比,海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)所用鋼管樁具有超大直徑、超大壁厚、超大重量的特點,由此帶來鋼管樁生產(chǎn)工藝上的巨大挑戰(zhàn)。該類鋼管樁由多個管節(jié)拼接而成,管節(jié)長度約3 m,直徑多在6~10 m 之間,并有逐漸擴(kuò)大的趨勢。管節(jié)由鋼板經(jīng)過卷板機(jī)卷制、回圓制成,該過程中對于管節(jié)曲率半徑的控制是生產(chǎn)質(zhì)量控制的重要內(nèi)容,是后續(xù)縱縫焊接、管節(jié)拼接精確控制的基礎(chǔ)。
在機(jī)械生產(chǎn)、模具制造等工業(yè)領(lǐng)域中,包含大量對工件圓弧面和圓弧形彎曲件的半徑的測量和校核,許多學(xué)者和工程人員針對其測量開展了研究工作。目前的測量方式主要分為接觸式測量方法和非接觸式測量方法,接觸式測量方法應(yīng)用較多,如:1)靠尺,即圓弧樣板,其形狀與待測管節(jié)的設(shè)計弧度一致,卷板過程中,卷板工人將靠尺貼近鋼板,觀察靠尺與鋼板縫隙大小判斷卷制鋼板的弧度是否符合要求。該測量方法主觀程度較高,精度低,針對不同直徑的鋼管樁需要單獨生產(chǎn)不同靠尺,造成材料浪費(fèi)。2)普通卡尺[1]:通過測量工件的直徑得到曲率半徑,當(dāng)被測圓弧的圓心角小于180°時,該測量方法無法測得直徑。3)圓弧卡尺[2-3]:測量過程中將卡尺3 根測桿的頭部同時接觸管樁內(nèi)壁,測量中間測桿相對其他兩測桿的位移,通過“弓高弦長法”得到測量段的曲率半徑。該方法測量的弧長范圍與測桿間距成正比,對于大直徑構(gòu)件,卡尺尺寸需同比例增大,操作較困難,且弦長越長,測量精度越低。非接觸式測量方法主要使用光學(xué)式測量儀[4-6]或三坐標(biāo)測量機(jī)[7-9]等,通過“擬合法”或“任意三點坐標(biāo)法”等計算得到被測圓弧的曲率半徑,但由于管節(jié)大直徑的特點,被測圓弧占圓周比例較小,傳感器精度、卷制過程中工件振動等擾動對測量結(jié)果造成的偏移過大,無法精確反映曲率的實際情況。本文針對現(xiàn)有曲率測量儀器的不足,根據(jù)海上風(fēng)電鋼管樁制造的特點,設(shè)計了一種適用于大直徑鋼管樁的高精度曲率半徑測量系統(tǒng),可測量實際曲率與設(shè)計曲率的偏差情況,具有精度高、實時性高、使用方便等特點。
本文測量中使用激光掃描儀對傳統(tǒng)靠尺的測量方法進(jìn)行模擬。圖1 為激光掃描儀測得實際部分管樁的示意圖,其中為部分管樁的外側(cè)輪廓。根據(jù)測距儀的分辨率可知上相鄰兩點橫坐標(biāo)差值,該精度范圍內(nèi)上所有點的坐標(biāo)信息均可以得到。A 點為測量起點,對應(yīng)橫軸上的F 點,C 點為測量終點,對應(yīng)橫軸上的H 點,G 點為線段FH 的中點,過G 點做橫軸垂線分別交線段AC與于D 點和B 點,過B 點做直線垂直于線段AC 交AC 于E 點。由圖可知,當(dāng)AC 兩點的縱坐標(biāo)差較小時,線段BE≈線段BD,因此比較標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)與實際測量得到管節(jié)兩種情況下得到的BE段,可視作標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)BE 段與實際測得管節(jié)BD 段的比較,而兩組BE 段的差值,是標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)即靠尺與實際測量管節(jié)之間縫隙的距離大小。
圖1 測距儀所得輪廓Fig.1 Contour from the scanner
設(shè) A 點坐標(biāo)為(x1,y1),C 點坐標(biāo)為(x2,y2),則D 點坐標(biāo)為B 點坐標(biāo)以為橫坐標(biāo)對上點進(jìn)行檢索,得到其縱坐標(biāo)為y3,則有:
代入標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)中求得:
式中:R 為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的半徑。
BD 與 BE 的差值為:
該距離即為靠尺與實際測量管節(jié)相差縫隙的距離。由此,該距離可以通過數(shù)字的方式進(jìn)行量化。實際使用中,可根據(jù)管樁要求縫隙距離與測得的縫隙距離之差來判斷管節(jié)的曲率半徑是否符合要求。例如縫隙距離要求小于3 mm,則測量處得到數(shù)據(jù)小于3 mm 時,該部分管節(jié)彎曲程度符合標(biāo)準(zhǔn),否則需對該部分進(jìn)行重新回圓等處理。
采用KEYENCE LJ-X8000 系列2D/3D 激光掃描儀,該掃描儀可在一定范圍內(nèi)測量被測物體的二維輪廓,測量原理是通過柱面物鏡將激光擴(kuò)散后投射在目標(biāo)物表面形成漫反射,使反射光在CMOS 上成像后檢測目標(biāo)物的形狀。傳統(tǒng)點激光傳感器采樣一次可取得一點數(shù)據(jù),而該激光掃描儀通過擴(kuò)散激光的方法,一次取點可達(dá)3 200 個,且測量精度高,重復(fù)精度為10 μm。該掃描儀的測量范圍與其功能和安裝位置有關(guān),掃描儀距被測物體800~1 000 mm 內(nèi)測量結(jié)果最佳。現(xiàn)場安裝時,需要保證掃描儀打出的激光與被測管樁邊緣組成的圓周平行,以保證測得的數(shù)據(jù)真實有效,擬合得到的圓為垂直于軸向的截面圓,與此同時,還需保證掃描儀安裝位置在最佳測量范圍之內(nèi)。
測量設(shè)備核心為掃描儀感應(yīng)頭,安裝于支撐板上,支撐板通過M5 螺釘連接至支撐臂上,支撐板可以該螺釘為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn),支撐板和支撐臂之間角度可調(diào)整,其垂直方向的高度也可調(diào)節(jié),支桿通過滑塊固定于滑軌上,該滑軌平行于卷板機(jī)的壓輥,掃描儀可沿滑軌滑動,該結(jié)構(gòu)使得掃描儀感應(yīng)頭可以在空間上自由調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)激光照射的位置與角度。掃描儀感應(yīng)頭發(fā)射激光照射在管樁提前繪制好的標(biāo)定線上,該標(biāo)定線與管節(jié)兩側(cè)邊緣平行,該步驟可以保證測量的輪廓線平行于管樁上下兩底面,激光反射光回到感應(yīng)頭在其上成像后得到輪廓數(shù)據(jù)。
測量控制系統(tǒng)流程如圖2 所示。
圖2 測量控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of measurement control system
感應(yīng)頭接受來自控制器的采集指令,發(fā)射激光獲得管樁輪廓數(shù)據(jù)后回傳給控制器,控制器上具備以太網(wǎng)口,通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,去除無效點,得到有效輪廓數(shù)據(jù);上位機(jī)還接收標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)半徑參數(shù),將上述數(shù)據(jù)與參數(shù)代入測量算法中,即可得到目標(biāo)管節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)曲率的偏差數(shù)據(jù),并在上位機(jī)實時顯示,供現(xiàn)場工人使用和參考。
根據(jù)設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)及控制流程搭建的基于激光掃描儀的大直徑鋼管樁曲率半徑非接觸式自動測量設(shè)備實際結(jié)構(gòu)見圖3,PC 上位機(jī)見圖4。
圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of equipment
圖4 PC 上位機(jī)Fig.4 PC host computer
測量系統(tǒng)在使用前需進(jìn)行位置標(biāo)定及參數(shù)輸入,具體步驟如下:
1)設(shè)備校正
在測量一個新管節(jié)前,需要對掃描儀感應(yīng)頭位置進(jìn)行校正,調(diào)節(jié)連接機(jī)構(gòu)改變激光照射在管節(jié)的位置與角度,使得激光與管樁的標(biāo)定線重合,兩傳感器均標(biāo)定完成后可以準(zhǔn)備開始測量。
2)輸入?yún)?shù)
在上位機(jī)中輸入該管節(jié)的設(shè)計半徑,該半徑應(yīng)為管節(jié)外半徑,測量的數(shù)據(jù)將與該標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的曲率對比得到偏差值。
3)測量并輸出數(shù)據(jù)
卷板機(jī)三輥馬達(dá)旋轉(zhuǎn),開始卷板,上位機(jī)發(fā)出指令,經(jīng)過控制器到達(dá)感應(yīng)頭,感應(yīng)頭發(fā)出激光掃描管節(jié)輪廓數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)代入算法計算,得到結(jié)果后在上位機(jī)顯示屏上顯示,工人參考該數(shù)據(jù)調(diào)整三輥的位置和上輥壓力,直到數(shù)據(jù)符合該管節(jié)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),同時系統(tǒng)自動存儲控制參數(shù)與測量數(shù)據(jù),為質(zhì)量檢查及數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
實驗對象為半徑4 000 mm 管節(jié)的回圓過程,將測量得到的靠尺與實際測量管節(jié)相差縫隙的距離數(shù)據(jù)以時間為橫軸作圖,如圖5 所示,可以看出通過回圓,該管節(jié)的曲率半徑與理想數(shù)據(jù)的差值逐漸減小,最終穩(wěn)定于3 mm 左右,達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)。該數(shù)據(jù)的最終測量結(jié)果與手持靠尺測量結(jié)果吻合,且變化趨勢符合現(xiàn)場實際回圓過程,其中段波動較大處為反復(fù)回圓焊縫位置導(dǎo)致。
圖5 測量結(jié)果Fig.5 Measurement result
現(xiàn)場對其他規(guī)格管節(jié)的卷板和回圓過程也進(jìn)行了大量測量實驗,通過實驗可看出,所研究的曲率半徑測量系統(tǒng)方案切實可行。
在工業(yè)領(lǐng)域曲率測量技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對海上風(fēng)電鋼管樁超大直徑的特點,研制了一套基于激光掃描儀的非接觸式測量系統(tǒng),實現(xiàn)了工件曲率半徑與標(biāo)準(zhǔn)半徑偏差的實時測量。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有實時性高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點,符合大直徑鋼管樁生產(chǎn)的工藝需求,且安裝簡易、使用方便,降低了工人的勞動強(qiáng)度,并為鋼管樁生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測提供了量化指標(biāo)。后續(xù)研究中,可將卷制過程中工件曲率半徑測量數(shù)據(jù)與卷板機(jī)三輥位置、壓力等參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫,以測量數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)反饋、卷板機(jī)參數(shù)作為控制變量搭建控制系統(tǒng),經(jīng)過大量數(shù)據(jù)積累后求出系統(tǒng)傳遞方程,從而實現(xiàn)自動卷板。