大型隧道管片构件几何量测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种大型隧道管片构件几何量测量装置和方法。以激光跟踪仪为坐标采集设备，布设两个激光跟踪仪测量站，扫描所有型面坐标信息，并通过公共点统一坐标系，通过ＶＣ编写的软件读入数据，最小二乘法拟合平面，半径约束最小二乘法拟合弧面，从而评价形状和尺寸信息。通过最佳适配算法将测量值配准到ＣＡＤ坐标系中，并与ＣＡＤ数模相比较。以图形和数值两种方式生成测量报告。本发明专利技术充分利用激光跟踪仪优越的大尺寸测量能力和自主开发的数据处理软件，有效解决小分段角、大尺寸的管片状构件几何量精密测量难题。可广泛应用于船舶、飞机等制造业分段制造的各项几何量测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，具体为管片状大型隧道构件的几何量精密测量方法。
技术介绍
分段制造，整体拼装作为一种先进制造方法，广泛应用在船舶、飞机和隧道构件等大型结构制造中。要保证每一段和拼装后整体的几何尺寸、形状、相互位置精度，需要对每一段的几何量信息进行质量控制。目前隧道施工多采用盾构法，即采用预制钢筋混凝土管片等构件作为衬砌结构，在大力提倡的精益工程中，管片的尺寸和形状误差有着严格的设计标准，需要控制的参数有型面的形状误差，即4个平面的平面度，内外弧面的圆度；尺寸检测项目有管片厚度、管片宽度、弧长、楔形角和边角等重要尺寸；还要将测量模型和CAD设计模型比较偏差。随着山洞、地铁、越海等隧道的大力发展，隧道的长度和隧道直径都日益增加，制造和配合精度要求也日益苛刻，因此对尺寸测量的准确度要求更高，急需一种高效的大型隧道构件空间几何信息的精密测量系统，为用户提供更快捷、方便的测量技术支撑。 大尺寸构件的测量方法主要有摄影测量法、经纬仪测量系统、三坐标测量机和测量臂等。摄影测量法需要粘贴大量编码标志，并采用图像拼接方法实现整体测量，单幅图像测量精度能达到0.1mm；经纬仪测量系统需要两台以上的经纬仪精确互瞄，测点较多时，效率低下；测量臂量程较小，需要多次移站或者安装导轨；这些测量方法在测量准确度和效率上与大尺寸分段构件的精度控制要求相比还不完善。同时，虽然有比较多的通用测量和坐标处理软件，但由于分段测量需要控制的几何参数较多，后续数据处理要求复杂，一般的数据处理与空间几何量算法软件还不能满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大型隧道管片构件几何量测量的装置和方法，可以解决大型分段制造隧道构件的几何量测量难题。该方法具有效率高、精度高，劳动强度低等优点。 本专利技术提供的一种大型隧道管片构件几何量测量的装置包括 空间坐标测量装置，用于获取大范围空间点坐标数据； 球面反射靶标，用于与被测表面点接触； 所述的空间坐标测量装置为空间测量激光跟踪仪、激光雷达球坐标测量仪、经纬仪、局域GPS或CCD摄像机装置；所述空间测量激光跟踪仪，它包括激光干涉测长和光栅码盘角度传感部件和球面反射靶标。 本专利技术提供的一种大型隧道管片构件几何量测量的方法包括的步骤 1).新型号管片数模构建设计 隧道有直线段、左转弯段和右转弯段，每一环还有不同的标准块、封顶块和左右邻接块；每个工程的盾构隧道直径、分块数量也不同，本专利技术方法适用于所有尺寸的管片，只需在开始测量新型号不同尺寸管片之前，按照CAD图纸重新构建数模设计坐标系，统一指定迎千斤顶面为环向前平面，以环向前平面上圆截面的圆心为原点，以原点和封顶块前平面圆弧中点2的连线为X轴，以圆环轴心为Z轴，利用右手正交定义Y轴，以此为测量基准，将所有的测量数据通过与CAD模型的最佳适配，得到旋转矩阵和平移向量并对齐到全局坐标系中； 所述最佳适配算法如下设M和F分别为测量坐标系和参考坐标系下的同一组公共点坐标值。由于公共点的测量存在测量误差，当测量多个公共点时，适配必然存在残差。可根据适配残差平方和最小准则求解旋转矩阵R和平移向量T，即目标函数为 其中N为公共点个数。采用基于奇异值分解的适配算法。在最佳适配时，两组点应有相同的重心。因此先将两组坐标数据重心化，这样可以从目标函数中分离T，先求取旋转矩阵R。两组坐标的重心分别为 重心化后的坐标分别为 FC＝F-F，MC＝M-M 则目标函数可写为 目标函数等价于 最大化。令则等价于Trace(RH)最大化。其中Trace是矩阵对角线元素求和算子。 求H的奇异值分解为H＝UΛVT，则最佳旋转矩阵和平移向量分别为 R＝VUT T＝FC-R·MC 利用该最佳适配法求解仪器站与CAD之间的转换参数R1，T1，从而将所有测量值统一到CAD全局坐标系下，可直接与CAD比较偏差。该算法还用于下面仪器站之间的坐标统一。 2).采集测量数据 本专利技术以便携大尺寸测量仪器为空间坐标测量装置，可以是激光跟踪干涉测量系统，激光雷达等球坐标测量仪器，也可以用经纬仪、局域GPS、摄影测量系统等纯角度测量仪器获取大范围空间点坐标数据，以激光跟踪干涉测量装置为例，其测量范围可以超过35m，全程测量精度优于0.04mm，包括激光干涉测长系统和光栅码盘角度传感系统，用球面反射靶标(sphericallymountedretroreflector，SMR)作为合作目标，可测量仪器到被测目标点的距离、方位角和天顶角，从而得到大范围被测点空间点坐标数据，利用激光跟踪干涉测量装置自动跟踪扫描功能，可快速获得被测型面的大量三维坐标数据，将管片表面数字化。SMR与被测表面为点接触，对表面粗糙度造成的测量误差敏感，因此将SMR放置在磁力底座上，利用小平面接触滤除表面粗糙度带来的误差，测量值为角锥棱镜的中心坐标，为了得到被测表面点坐标，测量值需要在拟合表面的法线方向上减去SMR半径和底座高度，即得到表面点；扫描时均匀用力地手持SMR接触被测表面，均匀覆盖整个型面，并设置适当的采点扫描间隔。间隔过疏，采样点较少，不利于提高拟合精度；间隔过密，采样点过多，数据处理任务过重，且对提高精度意义不大。参见图2，型面包括前面、后面、左面、右面和内外圆柱面组成，其中圆柱面采用测量两个圆截面恢复圆柱面，这两个圆截面分别紧邻前后面，即外弧面的两个截面和内弧面的两个截面，因此共扫描8个特征，尽管测量系统量程较大，但由于通视障碍，仅设置一个测量站难以获取大型构件所有型面的三维数据，布设两个测量站，通过两个测量站同时测量公共点，用上述最佳适配算法统一两个测量站的坐标系，求解两个仪器站点之间的转换参数R2，T2；由于激光干涉测距系统精度高，而光栅码盘测角精度稍低，因此沿测量空间的对角线的两个角落位置布设两个测量站，干涉仪方向沿对角线方向，距离构件适当距离，仪器和被测物高度大致相当，这样可以充分利用测距，而减小仪器方位角和天顶角的变动，快速获得构件的全部型面坐标，每个测量站都可以没有障碍地测量到相邻四个型面，其中测量站T1测量前面、左面、靠近前面的外圆弧和内圆弧，测量站T2测量后面、右面、靠近后面的外圆弧和内圆弧，所有测量数据保存为txt文本文件； 3).基于控制参数的测量计算 需要定义充足的参数来保证构件测量质量，定义6类参数 ①首先提取有效的特征信息，如果存在粗大噪声点则利用一定准则剔除噪声点，例如3σ准则，再按照各自的数学模型，用最小二乘法拟合构造四个平面，即纵向最优左平面、纵向最优右平面、环向最优前平面和环向最优后平面，评价四个平面的平面度； ②圆弧点云向就近的邻近平面投影，半径约束最小二乘拟合四个圆弧，评价四个圆弧的圆度；最优圆的拟合如果采取常规最小二乘方法，则会由于分段构件占整体比例较小，采集的型面数据少，且不满足采集点均匀分布的最优原则，拟合信息不足，导致拟合精度低。因此采用半径约束最小二乘法，即以设计半径值为约束条件，最小二乘目标函数为 约束条件r＝r0 其中(a，b)为圆心，r为待测半径，r0为设计值。 半径约束拟合可有效地提高拟合精度，鲁棒性明显增强。 ③由于无法直接提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型隧道管片构件几何量测量的装置，其特征在于它包括：　空间坐标测量装置，用于获取大范围空间点坐标数据；　球面反射靶标，用于与被测表面点接触；　所述的空间坐标测量装置为：空间测量激光跟踪仪、激光雷达球坐标测量仪、经纬仪、局域ＧＰＳ或ＣＣＤ摄像机装置；。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曲兴华，张福民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]