管片鋼模激光測量技術的應用

潘偉捷

（上海隧道工程有限公司構件分公司，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、側模和端模三部分組成。要求腔寬公差控制在0.5mm范圍內，腔弧長公差控制在0.7mm范圍內。

混凝土管片整體拼裝后，相鄰環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構才能組裝成合格的整體鋼模具。

然而，傳統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。單一的檢測數據和結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，并利用數字化檢測手段對鋼管片模具進行了全過程檢測和數據分析，為產品控制和生產過程提供了強有力的數據支持[1]。

1 鋼模激光測量裝置簡介

1.1 鋼模激光測量技術概述

與傳統檢測技術相比，鋼模具激光測量技術可以在表觀長度和有效范圍內提供具有一定采樣密度的點云數據，具有較高的測量精度和數據采集效率，有效地避免了傳統檢測數據的局限性和片面性。鋼模具激光測量技術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在建材機械和工程機械制造領域具有重要意義。

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USB轉化器（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USB轉化器相連；最后，把放大器和電源連接，轉換器的USB插入電腦。如果這時電腦已安裝USB轉RS232串口驅動程序和串口調試助手，那么串口調試助手即可監聽通信模塊的串口號（見圖1），之后就進行數據傳輸了。

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

根據隧道直徑的大小，隧道襯砌環管片的長度一般可達數米。根據隧道工程的要求，生產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構制造中比較少見的，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，根據數據結論分析生產工藝中存在的不足和缺陷，通過改善工藝流程，提高產品質量。

2.1 管片鋼模的組成部分

管片鋼模一般由兩個側模、兩個端模、一個底模和相關附件組成。兩個側模形成的檔距尺寸是環寬尺寸，兩個端模間的尺寸是弧長尺寸，底模至側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鍵。

2.2 鋼模激光測量試驗步驟

（1）根據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）打開手持電腦的數據采集界面和串口調試助手（兩個），并設置相關參數，再發送至設置區域中，設置數據流循環發送、確定串口設置的串口號以及發送串口數據接收（見圖2）。

圖2 串口調試助手界面示意圖

（3）將圓形貼紙盡可能對稱地貼于鋼模兩側（見圖3），鋼模設置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，應貼6個圓片。

圖3 鋼模上的圓形貼紙

（4）使用時，按下開關，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時，并且兩個放大器上都有讀數，松開開關，在5s內放大器會產生讀數。

（5）如圖4所示，輸送至后臺PAD，加上桿長整合處理算出結果。最終結果雖然不是真實鋼模寬度，但是這次實驗目的主要是測量數據的穩定性，對于同一位置多次測量后發現，若有他人協助，誤差可以控制在0.01~0.1mm之間。

圖4 鋼模激光測量現場照片

2.3 鋼模激光測量試驗應用情況分析

目前加工制作的激光測量試驗裝置已經能夠完成管片鋼模的測量和數據導出操作，具有一定適用性，但是在多次試驗和應用過程中發現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，從而導致測量誤差較大。

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

2.4 改進后鋼模激光測量試驗

針對現有試驗裝置存在的不足，對裝置的優化研究主要集中在兩個方面：

（1）信號實現無線傳輸

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藍牙模塊將信號發送至上位機，實現無線傳輸。

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，因此需要調整測量方式。調整后，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，直到測量系統出現測量值。如圖5所示，測量儀會每隔0.5s讀取一次數據，讀取20組有效數據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，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 結語

通過對設計的試驗裝置進行多次現場測試和測量，驗證了設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。主要研究結論如下:

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

（2）通過激光測量得出的數據與鋼模標準數據進行比對，可以發現鋼模生產過程中存在的問題，以便及時糾正并解決，為生產打下堅實的基礎，保證管片生產的整體質量。

（3）通過管片鋼模具激光測量試驗，可發現測量設備在測量過程中存在的缺陷和不足，及時進行糾正。經過校正的設備測量數據更準確，讀取速度更快，為獲得更準確的鋼模具檢測數據奠定了基礎。

（4）通過總結和分析大量的鋼模具測試數據，歸納鋼模尺寸的變化規律與環境溫度、工藝流程、生產批量以及其他因素的影響關系，從而得出相應的結論，可以對鋼模的大規模生產質量進行控制。希望本案例的應用能為同類產品的制造提供參考，使鋼模激光測量技術得到充分發揮[1]。