管片鋼模激光測量技術(shù)的應(yīng)用

潘偉捷

（上海隧道工程有限公司構(gòu)件分公司，上海市 200127）

0 引言

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。為了達到這樣的尺寸精度，鋼模具在整個制造過程中都需要嚴格控制，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)的測控工具如千分尺、游標深度尺、專用檢測樣品等只能測量單個點的局部尺寸，不能檢測整體形狀和位置尺寸。單一的檢測數(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量與掃描技術(shù)，并利用數(shù)字化檢測手段對鋼管片模具進行了全過程檢測和數(shù)據(jù)分析，為產(chǎn)品控制和生產(chǎn)過程提供了強有力的數(shù)據(jù)支持[1]。

1 鋼模激光測量裝置簡介

1.1 鋼模激光測量技術(shù)概述

與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，鋼模具激光測量技術(shù)可以在表觀長度和有效范圍內(nèi)提供具有一定采樣密度的點云數(shù)據(jù)，具有較高的測量精度和數(shù)據(jù)采集效率，有效地避免了傳統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的局限性和片面性。鋼模具激光測量技術(shù)對光照條件沒有要求，可以快速直接獲得目標表面所需要的所有坐標，可以利用坐標之間的距離來計算、檢測鋼模具的尺寸。鋼模具激光測量技術(shù)在建材機械和工程機械制造領(lǐng)域具有重要意義。

1.2 鋼模激光測量裝置簡述

裝置組成：感測頭（2個），放大器（2個，型號：1L-1000），DL-RS1A通信模塊（2個），232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)化器（2個，型號：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。如果這時電腦已安裝USB轉(zhuǎn)RS232串口驅(qū)動程序和串口調(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（見圖1），之后就進行數(shù)據(jù)傳輸了。

圖1 激光裝置連接方式

1.3 鋼模激光測量裝置的測量精度

鋼模激光測量裝置的最高測量精度為0.01mm，對于管片鋼模要求的尺寸精度而言，鋼模激光測量完全可以滿足使用要求。

2 管片鋼模實際檢測試驗分析

根據(jù)隧道直徑的大小，隧道襯砌環(huán)管片的長度一般可達數(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級別進行測量檢驗。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。就此對一組典型的6m系列管片鋼模部件進行了全程跟蹤檢驗，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。

2.1 管片鋼模的組成部分

管片鋼模一般由兩個側(cè)模、兩個端模、一個底模和相關(guān)附件組成。兩個側(cè)模形成的檔距尺寸是環(huán)寬尺寸，兩個端模間的尺寸是弧長尺寸，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。為達到裝配后整體尺寸合格，必須嚴格控制單件的尺寸精度，及時修正過程缺陷是關(guān)鍵。

2.2 鋼模激光測量試驗步驟

（1）根據(jù)鋼模和測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），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稱地貼于鋼模兩側(cè)（見圖3），鋼模設(shè)置3組，共6個測量點，將圓形貼紙貼于鋼模管片兩測量點的中點，應(yīng)貼6個圓片。

圖3 鋼模上的圓形貼紙

（4）使用時，按下開關(guān)，將測桿盡量對準兩個圓心，當確保左右兩個激光測距儀的激光束在圓內(nèi)時，并且兩個放大器上都有讀數(shù)，松開開關(guān)，在5s內(nèi)放大器會產(chǎn)生讀數(shù)。

（5）如圖4所示，輸送至后臺PAD，加上桿長整合處理算出結(jié)果。最終結(jié)果雖然不是真實鋼模寬度，但是這次實驗?zāi)康闹饕菧y量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，對于同一位置多次測量后發(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 鋼模激光測量現(xiàn)場照片

2.3 鋼模激光測量試驗應(yīng)用情況分析

目前加工制作的激光測量試驗裝置已經(jīng)能夠完成管片鋼模的測量和數(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，在測量時，激光難以識別到鋼模上的貼紙，造成單人測量時“顧左顧不了右”的情況，從而導(dǎo)致測量誤差較大。

（2）此次所有設(shè)備重量都集于測量桿上，測量時間過長會導(dǎo)致工作人員胳膊酸累，造成測量桿不穩(wěn)，使問題（1）更為嚴重。

2.4 改進后鋼模激光測量試驗

針對現(xiàn)有試驗裝置存在的不足，對裝置的優(yōu)化研究主要集中在兩個方面：

（1）信號實現(xiàn)無線傳輸

原來的測量信號傳輸過程為：CMOS激光位移傳感器—放大器單元—RS232串口—USB串口—上位機。這種傳輸過程需要將信號通過有線的方式從測量儀傳入上位機。攜帶上位機的測量人員操作時不能遠離測量儀，且在操作過程中要關(guān)注傳輸線的纏繞問題。

改進后的信號傳輸過程為：CMOS激光位移傳感器—放大器單元—RS232串口—TTL串口—HC-05藍牙模塊—上位機。這種傳輸方式可以通過HC-05藍牙模塊將信號發(fā)送至上位機，實現(xiàn)無線傳輸。

改進后的測量儀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，操作人員的行動也會更加方便。尤其在操作人員進入鋼模的過程中，原來有線傳輸，操作人員進入鋼模需要有第二人幫助，改進后可以單人進入鋼模。

（2）設(shè)備時間移動式測量

原測量儀需要通過磁吸塊進行定位，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)整測量方式。調(diào)整后，測量方式改成手持式測量，操作人員按下測量按鍵后，測量儀開始測量，操作人員控制測量儀的激光打在測量點上，直到測量系統(tǒng)出現(xiàn)測量值。如圖5所示，測量儀會每隔0.5s讀取一次數(shù)據(jù)，讀取20組有效數(shù)據(jù)后取測量值的最小值為實際測量值。

圖5 實際測量界面圖

與原來的測量方式相比較，手持式測量可以避免鋼模表面不平整帶來的測量困難，只需要操作人員手持測量儀使激光對準測量點即可完成測量。對準過程允許操作人員適度偏移，系統(tǒng)會選取最短的測量值作為實際測量值。這種手持式測量方式，僅需一人即可完成測量任務(wù)，而原來的測量方式需要第二位操作人員幫助安裝磁吸塊。

3 結(jié)語

通過對設(shè)計的試驗裝置進行多次現(xiàn)場測試和測量，驗證了設(shè)計的裝置能夠滿足使用要求，是可行的。同時，對該裝置進行了優(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量工藝。主要研究結(jié)論如下:

（1）管片鋼模具激光測量技術(shù)是建材機械和工程機械生產(chǎn)各個過程中對異型件進行測繪和檢測的有力工具，值得推廣應(yīng)用；

（2）通過激光測量得出的數(shù)據(jù)與鋼模標準數(shù)據(jù)進行比對，可以發(fā)現(xiàn)鋼模生產(chǎn)過程中存在的問題，以便及時糾正并解決，為生產(chǎn)打下堅實的基礎(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量試驗，可發(fā)現(xiàn)測量設(shè)備在測量過程中存在的缺陷和不足，及時進行糾正。經(jīng)過校正的設(shè)備測量數(shù)據(jù)更準確，讀取速度更快，為獲得更準確的鋼模具檢測數(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，可以對鋼模的大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量進行控制。希望本案例的應(yīng)用能為同類產(chǎn)品的制造提供參考，使鋼模激光測量技術(shù)得到充分發(fā)揮[1]。