激光跟踪仪在新型接头管片模具检测中的应用.pdf

激光跟踪仪在新型接头管片模具检测中的应用孙泽信,张 成,段举举(江苏省地质工程勘察院,江苏 南京2 1 0 0 1 2)摘 要 随着新型接头管片的应用,在管片生产过程中对管片模具要求越来越严格。针对使用传统内径千分尺结合游标卡尺对盾构隧道管片模具检测工作量大、效率低、测量精度容易受到人工等外部环境影响的问题,提出了一种采用高精度的三维激光跟踪仪检测方法,通过高精度三维激光跟踪仪对管片模具进行全方位扫描式数据采集,实现了管片模具宽度、厚度、弧、弦长等尺寸指标的高精度测量。结合人工复核数据表明,采用三维激光跟踪仪可实现管片模具尺寸的高效、高精度检测。关键词 三维激光跟踪仪;新型接头管片;高精度检测0 引 言随着国内盾构隧道建设不断加快,盾构技术也在不断革新,尤其在盾构管片新型接头方式1方面。其节省施工时间、提高隧道防水抗渗能力、降低施工成本等优势将会在未来盾构隧道建设方面得到越来越多的应用。随着新型接头管片的应用,在管片生产过程中对管片模具精度要求越来越严格。常规采用内径千分尺结合游标卡尺为主的测量方式工作量大,测量效率较低,且测量精度容易受到人工等外部环境影响。本文通过采用高精度的三维激光跟踪仪2实现了管片模具宽度、厚度、弧、弦长等尺寸指标的高精度测量,并结合人工复核数据,验证了三维激光跟踪仪用于管片模具高精度检测的可行性。1 三维激光跟踪仪高精度尺寸检测原理三维激光跟踪仪3主要由激光发射器、激光接收器、系统控制器、应用数据处理软件、目标靶球等部分组成。其进行高精度尺寸检测4的基本原理是通过在目标点位上设置一个目标靶球,三维激光跟踪仪通过激光头发出的激光进入目标靶球后,可以获取目标靶球点P(x,y,z)的仪转角、仪顶角5和斜距D,根据公式(1)即可求得目标点P的三维坐标,如图1所示。x=Ds i nc o sy=Ds i ns i nz=Dc o s(1)当移动目标靶球后,三维激光跟踪仪立即调整激光头方向对准靶球,反射回光束被激光接收器接收,可以实时测算目标靶球的空间坐标。通过对目标物体的大面积扫测后,可以生成目标物体的三维模型6,进而可以获取该物体任一点间的尺寸大小。图1 三维激光跟踪仪测量目标点坐标示意图2 作业流程三维激光跟踪仪进行高精度管片模具尺寸检测作业流程主要包括设计管片模具三维建模、外业数据采集以及内业数据处理3个方面,作业流程如图2所示。设计管片模具三维建模是在作业前依据设计图纸尺寸在软件中建立理论管片模具三维模型,通过高精度的外业数据采集利用最优化拟合在23江苏省测绘地理信息学会2 0 2 3年学术年会软件内进行数据处理后,可以最真实的反映出管片模具各个位置的尺寸情况,并生成整个管片模具色差矢量图(图3)。图2 作业流程图图3 色差矢量图3 实例分析本文基于江苏省某一采用新型接头管片的盾构隧道项目,在该项目管片生产阶段,采用三维激光跟踪仪对管片模具生产尺寸进行高精度测量。在测量过程中首先根据管片模具的设计图纸,对管片模具进行三维建模,再使用高精度三维激光跟踪仪对管片模具进行扫描式全方位数据采集,利用最优化拟合在软件内进行数据处理后,可以最真实的反映出管片模具各个位置的尺寸情况,并生成整个管片模具色差矢量图,相比于传统内径千分尺、游标卡尺的测量方式,新型测量方式进行全方位数据扫测,可以完全反应出管片模具的各个位置的真实情况,此外其半自动化检测程序使得整个测量、数据分析、报告生成过程快速、简便,大大提高了生产效率,是工业测量与工程测量的良好结合。3.1 实例概况(1)测量地点:本项目测量地点位于管片生产厂家,在每次管片生产前均对管片模具进行三维检测。(2)测 量 仪 器:本 项 目 三 维 检 测 采 用A P IR a d i a nP l u s激 光 跟 踪 仪,主 要 技 术 参 数 如 表1所示。表1 A P IR a d i a nP l u s激光跟踪仪主要技术参数类型技术参数水平转角3 2 0 垂直转角-5 9 至7 9 空间精度1 5u m+5u m/m角度精度3.5u m/m线性精度1 5u m工作环境温度-1 0至4 5 (3)数据处理软件:S p a t i a lA n a l y z e r。3.2 精度分析本项目选取三维激光跟踪仪测量数据与人工测量数据进行对比分析,人工测量采用内径千分尺结合游标卡尺的测量方式,其精度能达到0.0 1mm,在进行人工测量时,测量时间与测量条件均与三维激光跟踪仪测量相同,历次人工测量与三维激光跟踪仪测量成果较差对比如图4所示。图4 三维激光跟踪仪与人工测量管片模具尺寸较差33激光跟踪仪在新型接头管片模具检测中的应用 从图4可以看出,对采用三维激光跟踪仪与内径千分尺同步检测管片模具的5 0 0处尺寸较差进行统计,偏差最大值为0.1mm,偏差最小值为0mm。三维激光跟踪仪测量成果与人工测量成果较差分布统计如图5所示。图5 三维激光跟踪仪与人工测量管片模具尺寸较差分布从图5可以看出,三维激光跟踪仪与人工测量成果差值在0.0 5mm以内的数据占比9 7.8%,差值在0.0 60.1mm范围的占比2.2%,三维激光跟踪仪测量成果与人工测量成果基本一致,可用于管片模具生产高精度测量。3.3 工效分析通过5 0 0片管片模具检测,采用不同测量手段进行检测工效分析如表2所示。表2 不同检测手段工效比较分类工艺三维检测内径千分尺检测外业1 0m i n/片1 2m i n/片数据处理与分析同步开展3 0m i n/1 0片测量人员2人2人 跟传统内径千分尺测量手段相比,采用三维激光跟踪测量技术工效得到提高,主要由于一方面外业测量时三维激光跟踪仪不需要考虑特征点,直接进行全方位扫测就能获取管片尺寸数据,另一方面,采用三维激光跟踪技术数据的自动化处理,基本能实现内外业工作的同步完成。此外,在精度控制方面,三维激光跟踪技术从根本上避免了人工主观判断引起的测量误差问题。4 结 语本文基于三维激光跟踪仪研究了其在新型接头管片模具生产中的应用,通过高精度三维激光跟踪仪对管片模具进行全方位扫描式数据采集,解决了人工测量工作量大、工作效率低等问题,并采用人工测量方式对其检测精度进行统计分析。统计数据表明,采用三维激光跟踪仪与内径千分尺同步检测管片模具尺寸较差最大值为0.1mm,最小值为0mm;三 维 激 光 跟 踪 仪 与 人 工 测 量 成 果 差 值 在0.0 5mm以内的数据占比9 7.8%,差值在0.0 60.1mm范围的占比2.2%,三维激光跟踪仪测量成果与人工测量成果基本一致,验证了三维激光跟踪仪用于管片模具高精度检测的可行性。参考文献1 薛光桥,何应道,赵明应,等.盾构隧道承插式接头管片防水性能试 验 研究J/O L.隧 道建 设(中 英文):1-1 02 0 2 3-1 1-2 0.h t t p:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e-t a i l/4 4.1 7 4 5.U.2 0 2 3 0 9 1 3.1 1 1 8.0 0 6.h t m l.2 路宏杰,赫海涛,张永胜,等.激光跟踪仪建立核岛三维控制网的技术研究C/中国核学会.中国核科学技术进展报告(第七卷)中国核学会2 0 2 1年学术年会论文集第7册(同位素分卷、辐射研究与应用分卷、核技术工业应用分卷、核农学分卷、辐照效应分卷、放射性药物分卷).2 0 2 1:2 1 1-2 1 9.3 郑琪.激光跟踪仪测量精度分析及高精度三维控制网的建立D.武汉:武汉大学,2 0 1 9.4 田永.激光跟踪仪在大尺寸偏心轴测量上的应用J.甘肃科技,2 0 2 2,3 8(1 5):7 7-7 9,1 2 4.5 刘硕,刘光博,刘尚国,等.激光跟踪仪的测量误差解析与精度仿真J.测绘工程,2 0 2 1,3 0(6):2 1-2 6.6 刘峥嵘,邹进贵.利用激光跟踪仪三维控制网测量及其精度分析J.测绘通报,2 0 2 0(S 1):5 1-5 2,7 9.43江苏省测绘地理信息学会2 0 2 3年学术年会