CN103033144B - 一种激光测圆装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构检测技术领域，具体涉及一种用于测量盾壳圆度的激光测圆装置及其应用方法。该激光测圆装置包括支撑杆、固定于支撑杆上的步进电动机以及固定于步进电动机转轴上的激光测距仪，其中支撑杆两端分别支撑于盾壳内壁上，步进电动机以及激光测距仪均位于支撑杆的垂直平分线上，即盾壳的轴心线方向；之后以激光测距仪为回转中心，每隔一定角度测量盾壳内壁上点的坐标，并通过特殊编制的计算方法来测算盾壳的圆度。本发明的优点是，激光测圆装置设备安装简单，造价低，测量时角度控制便捷、精确，同时可测量盾壳在轴向上的圆度变化，通过计算机处理器可自动换算出盾壳圆度的各项数据，精度较高。

Description

一种激光测圆装置及其应用方法

技术领域

本发明属于盾构检测技术领域，具体涉及一种用于测量盾壳圆度的激光测圆装置及其应用方法。

背景技术

盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体钢组件的壳体即为盾壳，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起临时支护的作用，承受周围土层的压力，在盾壳的保护下拼装管片形成永久衬砌。盾壳在拼装时的圆度好坏将直接影响到日后的管片拼装质量及掘进过程中盾构姿态的控制和调向，因此在盾构制造、安装期间测量人员应及时获取盾壳圆度参数，并在此期间及时消除误差显得尤为重要。

在现有技术中，采用高精度的专业断面仪施测并用其配套的专业断面解算软件处理数据，但是鉴于采购该种仪器成本太高，一般项目不予采购而只是配备具备一般功能的普通全站仪，而且一般的断面解算软件其功能也存在一定的局限性，只有在知道设计圆心位置时才能对盾壳断面进行评定，而对于盾壳圆度检测来说，这个设计圆心是不存在的，所以该类断面软件在实施盾壳圆度检测时也显得捉襟见肘，因此如何来更精确地进行盾壳圆度检测便成了一个棘手的问题。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种激光测圆装置及其应用方法，该装置通过采用步进电动机回转驱动激光测距仪沿周向测量盾壳内壁，获得不同角度的测量数据并通过计算得出盾壳的精确圆度。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种激光测圆装置，具体用于测量盾壳圆度，其特征在于所述测圆装置包括支撑杆、步进电动机以及激光测距仪，所述步进电动机固定于支撑杆上，所述激光测距仪与所述步进电动机上的转轴固定连接，其中所述激光测距仪位于所述支撑杆的垂直平分线上。

所述激光测距仪与所述步进电动机转轴的固定结构是：在所述步进电动机转轴上套设有一托台，所述激光测距仪固定于所述托台上，所述托台上还设置有与所述激光测距仪相连的计算机处理器。

所述激光测距仪内部设置有伸缩装置，所述伸缩装置的伸缩方向为沿盾壳轴心线方向。

一种上述激光测圆装置的应用方法，其特征在于至少包括如下步骤：将所述激光测圆装置的支撑杆两端分别支撑于盾壳内壁上，以保证所述垂直平分线与盾壳中心轴线重合；以所述激光测距仪的回转中心为圆心，在所述计算机处理器中建立平面坐标系（0,0）；其后通过所述激光测距仪将激光射至盾壳内壁，以第一束激光为基准，记录所述激光测距仪的实测距离d1，偏转角度θ1；之后通过所述步进电动机带动所述激光测距仪每隔一定角度n°旋转，所述激光测距仪共回转360°，依次记录实测距离d1、d2、……di，偏转角度θ1、θ2……θi；其中n°取5～8°之间，共测量360/n个点；通过所述计算机处理器得出该处盾壳内壁上每点的坐标值（ai,bi）；在所述360/n个测量点中任选3点，通过计算机处理器得出3点形成的圆的圆心坐标，计算得出组数据的坐标值（Ox_i，Oy_i），将所述组数据的Ox，Oy值分别求平均值，作为所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）；以所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）为基准，计算360/n个测量点至此圆心的距离Ri，其方差值即为该处盾壳圆度波动的大小，同时得出Rmax和Rmin。

所述n°的优选值取7.5°，共记录48个测量点的数据。

在计算作为所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）之前，在组数据中剔除横轴Ox最大的10%和最小的10%数据，同样剔除竖轴Oy最大的10%和最小的10%数据，将剩余60%数据的Ox，Oy值分别求平均值。

以所述盾壳的轴心线为Z轴，所述激光测距仪可在所述伸缩装置的驱动下在轴向进行伸缩位移，用以微调所述激光测距仪在Z轴上的位置或测量所述盾壳在Z轴方向上的圆度变化。

所述盾壳内壁上沿纵向架设有滑轨，所述支撑杆活动连接于所述滑轨上；以所述盾壳的轴心线为Z轴，所述支撑杆可在滑轨上沿Z轴方向滑动，用以测量所述盾壳在Z轴方向上的圆度变化。

本发明的优点是，激光测圆装置设备安装简单，造价低，测量时角度控制便捷、精确，同时可测量盾壳在轴向上的圆度变化，通过计算机处理器可自动换算出盾壳圆度的各项数据，精度较高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的安装要求图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3，图中标记1-8分别为：托台1、激光测距仪2、激光3、步进电动机4、支撑杆5、安装支架6、转轴7、盾壳8。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种激光测圆装置，适用于地铁、隧道等平面几何形状的数据测量，该装置通过利用机械、激光测距仪和计算机相结合的方法测量盾壳圆度。激光测圆装置具体由支撑杆5、安装支架6、步进电动机4、托台1以及激光测距仪2组成，在盾壳8的内壁面上设置有沿轴向的滑轨，支撑杆5同设置于盾壳8的内壁面上的滑轨活动连接，支撑杆5的垂直平分线与盾壳8的中心轴线重合，而安装架6、步进电动机4、托台1以及激光测距仪2则沿盾壳8的中心轴线轴向设置（即设置于支撑杆5的垂直平分线上），其中安装支架6与支撑杆5通过螺栓连接，安装支架6与步进电动机4通过法兰连接，安装支架6具备调节功能，用于在测量前调整测量装置姿态，在步进电动机4的转轴7上套装有托台1，两者采用键连接，该托台1用以设置激光测距仪2，激光测距仪2测量精度在±1mm以内，具备无线传输功能；同时在激光测距仪2和托台1之间设置伸缩装置，用以驱动激光测距仪2在轴向移动，在测量前可微调激光测距仪2内的光源在盾壳8的轴向上的位置。

如图1-3所示，以下为激光测圆装置的应用方法，具体步骤如下：

（1）在盾壳8内安装激光测圆装置，支撑杆5的两端分别与盾壳8的内壁垂直连接，利用水平仪、垂直仪等设备现场通过安装支架6调整，使激光测距仪2发射的激光3与其回转平面的夹角控制在1°以内，以保证激光测距仪2与盾壳8内轴线的垂直度；

（2）调试激光测距仪2与计算机处理器，确保两者均处于正常工作状态。

（3）以激光测距仪2的回转中心为圆心，在计算机处理器中建立平面坐标系，回转中心即为圆心（0,0）；

（4）通过激光测距仪2将激光3射至盾壳8内壁，以第一束激光为基准（默认为坐标系的0°方向），测量激光测距仪2的实测距离d1以及偏转角度θ1；之后每隔7.5°旋转测量一组数据，激光测距仪2回转360°，共测量得48组数据，依次记录实测距离d1、d2、……di以及偏转角度1、θ2……θi；

（5）通过计算机处理器处理所测数据之后，得出该处盾壳8内壁上每点的坐标值（ai,bi）；

（6）在得出的各点坐标值数据之中任选3点，通过计算机处理器得出3点形成的圆的圆心坐标，计算得出组数据的坐标值；

（7）在组数据中剔除横轴Ox最大的10%和最小的10%数据，同样剔除竖轴Oy最大的10%和最小的10%数据，将剩余60%数据的Ox，Oy值分别求平均值，作为盾壳8内该处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）；

（8）以该处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）为基准，计算48个测量点至此圆心的距离Ri，其方差值即为盾壳8圆度波动大小,另得出Rmax和Rmin。

（9）为便于掌握盾壳8轴向上圆度数据，以盾壳8的轴向作为z轴，通过设置于托台1和激光测距仪2之间的伸缩装置驱动激光测距仪2在轴向上进行短距离移动，同时在滑轨上可进行长距离轴向移动，并按照上述（3）—（8）所述的方法测量z轴上不同坐标处的圆度大小。

回转中心点与激光发射点的距离问题：激光测距仪2的测量距离为激光发射点至目标物间的距离，实际距离为回转中心点至目标物的距离，这两点间的距离可通过将支架和激光测距仪作为一个整体件来解决，在工厂生产安装时就将这两点之间的距离确认，在具体测量时此值加至实测距离上。

目标物反射面为弧面时，应尽量将激光测距装置定位靠近至实际圆心，这样确保激光至目标面的基本垂直。

Claims (8)

1.一种激光测圆装置，具体用于测量盾壳圆度，其特征在于所述测圆装置包括支撑杆、步进电动机以及激光测距仪，所述步进电动机固定于支撑杆上，所述激光测距仪与所述步进电动机上的转轴固定连接，其中所述激光测距仪位于所述支撑杆的垂直平分线上，所述激光测圆装置的支撑杆两端分别支撑于盾壳内壁上，以保证所述垂直平分线与所述盾壳中心轴线重合，所述盾壳内壁上沿纵向架设有滑轨，所述支撑杆梁端活动连接于所述滑轨上。

2.根据权利要求1所述的一种激光测圆装置，其特征在于所述激光测距仪与所述步进电动机转轴的固定结构是：在所述步进电动机转轴上套设有一托台，所述激光测距仪固定于所述托台上，所述托台上还设置有与所述激光测距仪相连的计算机处理器。

3.根据权利要求1所述的一种激光测圆装置，其特征在于所述激光测距仪内部设置有伸缩装置，所述伸缩装置的伸缩方向为沿盾壳轴心线方向。

4.一种涉及权利要求1-2任一项所述激光测圆装置的应用方法，其特征在于至少包括如下步骤：将所述激光测圆装置的支撑杆两端分别支撑于盾壳内壁上，以保证所述垂直平分线与盾壳中心轴线重合；以所述激光测距仪的回转中心为圆心，在计算机处理器中建立平面坐标系（0,0）；其后通过所述激光测距仪将激光射至盾壳内壁，以第一束激光为基准，记录所述激光测距仪的实测距离d1，偏转角度θ1；之后通过所述步进电动机带动所述激光测距仪每隔一定角度n°旋转，所述激光测距仪共回转360°，依次记录实测距离d1、d2、……di，偏转角度θ1、θ2……θi；其中n°取5～8°之间，共测量360/n个点；通过所述计算机处理器得出该处盾壳内壁上每点的坐标值（ai,bi）；在所述360/n个测量点中任选3点，通过计算机处理器得出3点形成的圆的圆心坐标，计算得出组数据的坐标值（Ox_i，Oy_i），将所述组数据的Ox，Oy值分别求平均值，作为所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）；以所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）为基准，计算360/n个测量点至此圆心的距离Ri，其方差值即为该处盾壳圆度波动的大小，同时得出Rmax和Rmin。

5.根据权利要求4所述的一种激光测圆装置的应用方法，其特征在于所述n°的优选值取7.5°，共记录48个测量点的数据。

6.根据权利要求4所述的一种激光测圆装置的应用方法，其特征在于在计算作为所述激光测距仪安装位置处的计算圆心坐标（Ox_a，Oy_a）之前，在组数据中剔除横轴Ox最大的10%和最小的10%数据，同样剔除竖轴Oy最大的10%和最小的10%数据，将剩余60%数据的Ox，Oy值分别求平均值。

7.根据权利要求4所述的一种激光测圆装置的应用方法，其特征在于以所述盾壳的轴心线为Z轴，所述激光测距仪可在伸缩装置的驱动下在轴向进行伸缩位移，用以微调所述激光测距仪在Z轴上的位置或测量所述盾壳在Z轴方向上的圆度变化。

8.根据权利要求4所述的一种激光测圆装置的应用方法，其特征在于所述盾壳内壁上沿纵向架设有滑轨，所述支撑杆活动连接于所述滑轨上；以所述盾壳的轴心线为Z轴，所述支撑杆可在滑轨上沿Z轴方向滑动，用以测量所述盾壳在Z轴方向上的圆度变化。