汪玉華，黃 毅

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，寧波 315012)

引言

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管片生產(chǎn)的尺寸精度[1]，而提高管片尺寸的生產(chǎn)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(gòu)管片模具檢測(cè)主要有傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和激光跟蹤測(cè)量?jī)煞N方法。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)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(duì)其內(nèi)腔的寬度、高度、弧長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)[2]，其缺陷是測(cè)量點(diǎn)位少，只能靠有限的幾個(gè)點(diǎn)位來(lái)判斷模具的整體變形情況，精度無(wú)法得到保證，且寬度和弧長(zhǎng)的檢測(cè)結(jié)果也只能反映出兩側(cè)模、端模之間的相對(duì)變形，無(wú)法直觀地表達(dá)模具各個(gè)型面的絕對(duì)變形情況，不能很好地指導(dǎo)模具修復(fù)工作，直接影響到盾構(gòu)管片尺寸的生產(chǎn)精度。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是建立在激光干涉長(zhǎng)度測(cè)量和角度精密測(cè)量基礎(chǔ)上的極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)跟蹤儀實(shí)時(shí)跟蹤帶有棱鏡的跟蹤球來(lái)確定跟蹤球所在點(diǎn)的坐標(biāo)。紅外跟蹤測(cè)量技術(shù)在進(jìn)行管片模具檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)點(diǎn)位雖比傳統(tǒng)的人工檢測(cè)點(diǎn)位多，但仍不足以覆蓋整個(gè)面，僅測(cè)出了各個(gè)型面的邊線，然后通過(guò)邊線擬合出整個(gè)面，仍然無(wú)法得出各個(gè)型面的變形情況。

由于三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)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(shù)手段，且三維激光掃描技術(shù)具有快速性、不接觸性、實(shí)時(shí)、高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，已被廣泛應(yīng)用在測(cè)繪工程、結(jié)構(gòu)測(cè)量、古建筑保護(hù)、災(zāi)害評(píng)估、機(jī)械設(shè)計(jì)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(shù)引進(jìn)到管片模具檢測(cè)當(dāng)中，成功地克服了現(xiàn)有的模具檢測(cè)中存在的測(cè)量點(diǎn)位少、精度低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管片模具的全方位檢測(cè)，大大提高了管片模具的檢測(cè)精度，確保了管片尺寸的生產(chǎn)精度，同時(shí)也延長(zhǎng)了模具的使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1 工程概述

寧波市軌道交通盾構(gòu)隧道采用帶凹凸榫槽的通用環(huán)管片，管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，環(huán)寬1 200 mm，每環(huán)由6塊管片構(gòu)成，其中含標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中，帶凹凸榫槽的通用環(huán)管片對(duì)管片尺寸的精度要求比較高，不然很容易出現(xiàn)破損、開(kāi)裂及滲漏，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管片模具進(jìn)行檢測(cè)，提高其檢測(cè)精度，以達(dá)到提高管片尺寸精度的目的。

2 三維激光檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備的選型

目前三維激光掃描儀根據(jù)不同行業(yè)、不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求不同，其種類(lèi)比較多，三維激光掃描系統(tǒng)按照載體的不同，又可分為機(jī)載式、車(chē)載式、軌道式和便攜移動(dòng)型(有手持式，背包式，推車(chē)式)等；按激光發(fā)射器測(cè)距原理分為脈沖測(cè)距式、相位干涉式、立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源技術(shù)(三角測(cè)量)等。

盾構(gòu)管片是在生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行生產(chǎn)，因其模具一般都比較笨重，最大一塊模具(B3塊)質(zhì)量達(dá)5 t，尺寸為4 000 mm×1 600 mm×1 400 mm，內(nèi)腔深度350 mm，所以模具檢測(cè)場(chǎng)地一般就近選擇在管片生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，同時(shí)模具的檢測(cè)精度要求非常高，達(dá)到0.1 mm級(jí)，因此在綜合考慮管片模具的檢測(cè)精度、尺寸大小、檢測(cè)空間及檢測(cè)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(zhǔn)功能，包括C-Track(跟蹤器)、MetraSCAN 3D(掃描儀)、C-Track校準(zhǔn)棒、MetraSCAN 3D校準(zhǔn)板、磁力定位標(biāo)靶(貼片式定位標(biāo)靶)、筆記本電腦及相關(guān)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(gè)工業(yè)相機(jī)。見(jiàn)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(shè)備參數(shù)

工作時(shí)將激光線照射到物體上，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)第三方軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像。同時(shí)使用反光型定位標(biāo)靶，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)三角測(cè)量，配套軟件能夠確定掃描儀(在空間中)的位置。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接

三維激光掃描儀每個(gè)測(cè)站掃描的數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的自由坐標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理時(shí)必須要將多次(測(cè)站)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行拼接處理。目前點(diǎn)云拼接方式主要有雙站方式、全局方式和絕對(duì)方式3種，其中雙站方式和全局方式屬于相對(duì)定位，測(cè)站間或區(qū)段間的銜接需要有搭接區(qū)域，如果測(cè)站或區(qū)段過(guò)多，存在著較大的誤差傳遞，適合于中、小范圍的掃描；絕對(duì)方式屬于絕對(duì)定位，需提前布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)和調(diào)和高程控制網(wǎng)，測(cè)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(cè)的范圍為1.5～4.2 m，管片模具平均長(zhǎng)度約為3.4 m，其中最大一塊長(zhǎng)度為4 m。雖然都在檢測(cè)范圍之內(nèi)，但由于各塊模具中間弧度落差較大，C-track(跟蹤器)檢測(cè)視角受到干擾，無(wú)法一次捕捉到管片模具上所有的定位標(biāo)靶。因此，需通過(guò)兩次設(shè)站分別對(duì)定位標(biāo)靶進(jìn)行捕捉。由于只有兩個(gè)測(cè)站，不存在誤差傳遞的影響因素，采用雙站方式實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，同時(shí)通過(guò)增加搭接處標(biāo)靶數(shù)量來(lái)提高點(diǎn)云拼接的精度，搭接標(biāo)靶數(shù)量不少于4個(gè)。

2.3 掃描分辨率的選取

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

2.4 基準(zhǔn)模型及對(duì)齊方式的選擇

模具檢測(cè)時(shí)，需將每次掃描的三維模型同基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比，其偏差值即為模具的變形值，所以基準(zhǔn)模型及對(duì)齊方式選擇是否合適將直接決定著檢測(cè)結(jié)果的精度。

基準(zhǔn)模型選取有兩種，一為模具加工時(shí)的設(shè)計(jì)模型，如圖2所示；二為進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后第一次掃描得到的模型，如圖3所示。模型對(duì)齊也有兩種，一種為特征對(duì)齊，利用特征的點(diǎn)、線、圓、面、球、圓柱、圓錐等進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)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(cè)模型質(zhì)心、最小慣性主軸，完成基準(zhǔn)模型與檢測(cè)模型的質(zhì)心、最小慣性主軸的重合，達(dá)到曲面匹配的目的。

圖2 設(shè)計(jì)模型

圖3 掃描模型

(1)采用特征對(duì)齊進(jìn)行擬合

在采用設(shè)計(jì)模型作為基準(zhǔn)模型進(jìn)行特征擬合對(duì)齊時(shí)，如圖4所示，坐標(biāo)系Y方向可以使用兩塊側(cè)模作為約束，X方向可以使用兩個(gè)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(lái)的圓柱直徑D為5 480.860 6 mm，如圖5所示，而管片內(nèi)徑只有5 500 mm，兩者相差達(dá)到了20 mm，將擬合出的圓柱進(jìn)行對(duì)齊時(shí)誤差太大，顯然無(wú)法滿足檢測(cè)精度要求。采用進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后第一次掃描得到的模型作為基準(zhǔn)模型進(jìn)行特征擬合對(duì)齊，同樣存在底面擬合圓柱精度不足的問(wèn)題。

圖4 設(shè)計(jì)模型作為基準(zhǔn)模型特征擬合對(duì)齊

圖5 掃描模型底面擬合圓柱

(2)采用最佳擬合進(jìn)行對(duì)齊

如采用設(shè)計(jì)模型作為基準(zhǔn)模型進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊時(shí)，由于設(shè)計(jì)模型沒(méi)有手孔盒，實(shí)測(cè)模型有手孔盒，對(duì)齊結(jié)果會(huì)受到手孔盒的影響，造成擬合誤差較大；如采用進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后第一次掃描得到的模型作為基準(zhǔn)模型，則不受手孔盒的影響，為了驗(yàn)證其對(duì)齊精度，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)：一次假設(shè)模具沒(méi)有變形，另一次假設(shè)模具已經(jīng)變形。

①假設(shè)模具沒(méi)有變形

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

圖6 兩次掃描3D色譜偏差

從兩次掃描結(jié)果對(duì)比看，其差值均在0.13 mm之內(nèi)，而設(shè)備標(biāo)稱體積精度為0.044 mm+0.025 mm/m，模具長(zhǎng)度約為3.4 m，掃描結(jié)果理論測(cè)量精度為0.129 mm，則最佳擬合對(duì)齊精度在0.01 mm數(shù)量級(jí)，滿足管片模具檢測(cè)精度要求。

②假設(shè)模具已經(jīng)變形

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一塊管片模具進(jìn)行兩次掃描檢測(cè)，第一次掃描完成后將模具兩塊側(cè)模輕微打開(kāi)，再進(jìn)行第二次掃描，在兩次掃描前分別用傳統(tǒng)檢測(cè)方法內(nèi)徑千分尺(精度0.02 mm)對(duì)模具的寬度進(jìn)行測(cè)量(傳統(tǒng)檢測(cè)方法中只有寬度測(cè)量相對(duì)精確)，通過(guò)傳統(tǒng)檢測(cè)方法兩次測(cè)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(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)量誤差及最佳擬合對(duì)齊誤差之和，由此可以計(jì)算在管片模具發(fā)生變形后最佳擬合對(duì)齊的精度是否會(huì)受影響。

圖7 兩次掃描3D色譜偏差

現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)徑千分尺測(cè)量點(diǎn)位對(duì)應(yīng)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(chǎng)兩次掃描結(jié)果對(duì)比，測(cè)點(diǎn)002與008偏差之和為-2.04 mm，測(cè)點(diǎn)003與008偏差之和為-2.33 mm，采用兩種檢測(cè)方法的結(jié)果差值在0.15 mm之內(nèi)。因設(shè)備標(biāo)稱體積精度為0.044 mm+0.025 mm/m，模具長(zhǎng)度約為3.4 m，掃描結(jié)果理論測(cè)量精度為0.129 mm，則最佳擬合對(duì)齊精度在0.01 mm數(shù)量級(jí)，滿足管片模具檢測(cè)精度要求。

因此在管片模具三維激光掃描時(shí)，選用進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收合格后第一次掃描得到的模型作為基準(zhǔn)模型，選用最佳擬合方式對(duì)模型進(jìn)行對(duì)齊。

2.5 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定

(1)現(xiàn)有的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有規(guī)范中對(duì)盾構(gòu)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段是相對(duì)應(yīng)的，僅是一個(gè)相對(duì)變化量，而不是絕對(duì)變化量，當(dāng)發(fā)生兩塊側(cè)模或端模向同一個(gè)方向變形時(shí)，有可能出現(xiàn)模具實(shí)際變形已經(jīng)很大，但檢測(cè)的結(jié)果是合格的現(xiàn)象。在實(shí)際工程建設(shè)中，部分城市建設(shè)單位對(duì)管片生產(chǎn)廠家提出了更高要求，如寧波軌道交通對(duì)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定及修復(fù)

管片模具三維激光掃描儀檢測(cè)結(jié)果可以準(zhǔn)確顯示兩塊側(cè)(端)模的變形方向和變形量，以此結(jié)果來(lái)指導(dǎo)管片模具修復(fù)時(shí)，修復(fù)結(jié)果能夠精確控制，進(jìn)而準(zhǔn)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(cè)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(duì)管片模具修復(fù)的影響程度來(lái)制定。

結(jié)合試驗(yàn)確定的三維激光掃描儀測(cè)量精度、自動(dòng)擬合對(duì)齊精度及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定管片模具三維激光掃描檢測(cè)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。若實(shí)測(cè)偏差小于偏差值1，則可以繼續(xù)生產(chǎn)；實(shí)測(cè)偏差值大于偏差1但是小于偏差2，該鋼模需在生產(chǎn)線上進(jìn)行必要的維修保養(yǎng)；若實(shí)測(cè)偏差大于偏差值2，則必須撤下生產(chǎn)線進(jìn)行修復(fù)，并在修復(fù)完成后重新進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后方可用于生產(chǎn)。

表5 管片模具三維激光掃描檢測(cè)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論與建議

(1)利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)管片模具進(jìn)行檢測(cè)，成功地實(shí)現(xiàn)了管片模具變形的可視化表達(dá)，解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法中檢測(cè)點(diǎn)位少、精度低，弧長(zhǎng)和寬度只能檢測(cè)絕對(duì)變形的缺點(diǎn)，提高了管片模具的檢測(cè)精度。

(2)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了采用第一次掃描結(jié)果作為基準(zhǔn)模型、最佳擬合作為對(duì)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(cè)提供了理論支撐。

(3)在參考現(xiàn)有規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)，制定出了三維激光掃描檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，使管片模具修復(fù)更準(zhǔn)確，更有針對(duì)性，且節(jié)省了修復(fù)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(4)管片模具三維激光掃描檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將模具內(nèi)腔清理干凈，合模時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行操作。

(5)三維激光掃描儀對(duì)外部條件要求相對(duì)較高，檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)避免溫差過(guò)大。