CN104772745A - 一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，包括：获得一异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线；将设定的设计轮廓线与所述实际轮廓线初始放置在同一平面上；在所述实际轮廓线上设定多个标定点，并在所述设计轮廓线上设定与所述实际轮廓线上的标定点相对应的标定点，根据多个所述实际轮廓线上标定点和相应设计轮廓线上的标定点获得多个相应的距离；在所述平面上改变实际轮廓线的位置，通过最小二乘法使得多个所述距离的平方和最小，从而获得当多个所述距离的平方和最小时的实际轮廓线位置和加工基准线。本发明通过最小二乘法实现了实际轮廓线与设计轮廓线的最大限度重合，降低了盾构机的制作误差，提高了盾构机的生产精度。

Description

一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法

技术领域

本发明涉及盾构机加工制造技术领域，尤其是一种异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的确定方法。

背景技术

盾构机壳体在加工制作过程中，为了加工和运输方便，一般需分段制作。在施工现场安装时，使用多组螺栓将上述分段的法兰面连接，形成整台盾构机。组装后的盾构机在分段连接处要求平整，不出现严重的高低错台。在断面形状为圆形或者纯矩形的盾构机加工过程中，由于上述断面是很规则的几何形状，如图1所示，当设计轮廓线的中心线300和实际轮廓线的中心线400重合，设计轮廓线100和实际轮廓线200之间的误差较小，盾构机壳体法兰面加工基准线按照实际轮廓线的中心线400设置不会造成严重的误差积累，能满足设计要求。

但对于一些非圆形或者非矩形的异型断面，例如是由几段半径不同的圆弧组成异型断面，在加工过程中一般采用若干块曲率半径各不相同的板材固定校正后焊接成型，完成后符合设计要求的实际轮廓线200与设计轮廓线100如图2所示，如果仍然使用实际轮廓线的中心线400作为盾构机壳体法兰面的加工基准线，则实际轮廓线和设计轮廓线之间的误差分布容易出现较为严重的不均匀，上述不均匀分布的制造误差在后续加工过程中产生严重的积累，容易造成盾构机在组装完成后整机轮廓线由于零件制作误差积累放大，分段连接处的高低错台较大，严重时将导致盾构机整机尺寸超过允许范围，严重影响施工。

异型断面盾构机壳体在加工中出现误差积累的主要原因是由于在确定分段部分法兰面加工基准线时没有对分段部分的焊接误差进行及时削减，造成焊接产生的误差在法兰面螺孔的加工过程中积累和放大，最终导致盾构机整机组装后总体轮廓尺寸超过设计值。一般情况下，在异型断面盾构机壳体分段部分焊接完成后，通过测量和校正首先满足壳体分段部分的实际轮廓加工误差在设计要求范围内，如图2所示，即当设计轮廓线的中心线300和实际轮廓线的中心线400重合状态下，设计轮廓线100和实际轮廓线200之间的距离差值和对角线差值均小于设计限定值时即认为零件加工合格。此时尽管零件加工误差值满足设计要求，但实际轮廓线200与设计轮廓线100还未实现最大限度的重合，两条曲线的误差分布不均匀，零件加工误差容易在后续工序中积累放大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获得盾构机壳体分段法兰面加工基准线的方法，以消除异型断面盾构机壳体零件制作误差在后续加工中的积累，降低异型断面盾构机组装后整体轮廓误差，并满足盾构机整机组装后的外形轮廓线的设计要求。

为了达到上述目的，本发明提供了一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，包括以下步骤：

获得一异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线；

设定所述盾构机壳体断面的设计轮廓线，并将所述实际轮廓线和设计轮廓线初始放置在同一平面上；

在所述平面上建立一坐标系，在所述实际轮廓线上设定多个标定点，并在所述设计轮廓线上设定与所述实际轮廓线上的标定点相对应的标定点，根据多个所述实际轮廓线上的标定点在所述坐标系的坐标和相应设计轮廓线上的标定点在所述坐标系上的坐标获得多个相应的距离；

在所述平面上改变实际轮廓线的位置，通过最小二乘法使得多个所述距离的平方和最小，从而获得当多个所述距离的平方和最小时的实际轮廓线位置，该实际轮廓线位置即为最优实际轮廓线位置，进而根据所述最优实际轮廓线位置获得所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

进一步地，所述设计轮廓线具有相互垂直的两条中心线，根据所述两条中心线建立所述坐标系。

进一步地，所述设计轮廓线的中心线包括相互垂直的第一中心线和第二中心线，所述设计轮廓线上距离最长的两个点分别为第一点和第二点，通过连接所述第一点和第二点获得的线段为所述第一中心线，所述第一中心线的垂直平分线与所述设计轮廓线的两交点分别为第三点和第四点，通过连接所述第三点和第四点获得的线段为所述第二中心线，以经过所述第一中心线及第二中心线的两条直线为坐标轴建立所述坐标系。

进一步地，将所述实际轮廓线和设计轮廓线放置在同一平面上，并使初始放置的所述实际轮廓线的中心线和设计轮廓线的中心线重合，之后，在所述平面上固定所述设计轮廓线的位置并改变所述实际轮廓线的位置。

进一步地，根据初始设置的所述实际轮廓线的中心线获得所述最优实际轮廓线的中心线，所述最优实际轮廓线的中心线为所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

进一步地，初始放置的所述实际轮廓线和设计轮廓线相对所述坐标系的角度均为360度，以所述第一中心线和第二中心线的交点为所述坐标系的原点，从所述坐标系的原点作一射线与初始设置的所述实际轮廓线及设计轮廓线分别产生两个交点，作多条所述射线，多条所述射线等角度设置，且所述射线的数量为48条，48条所述射线与所述实际轮廓线的48个交点为所述实际轮廓线的标定点，48条所述射线与所述设计轮廓线的48个交点为与所述实际轮廓线相对应的所述设计轮廓线的标定点。进一步地，根据全站仪获得所述异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线。

本发明提供了一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，通过最小二乘法使得实际轮廓线与设计轮廓线之间的误差分布满足最大程度的均匀化，实现了实际轮廓线与设计轮廓线的最大限度重合，使得盾构机分段部分的制作误差最大限度地减少传递和积累到下一道加工工序中。在盾构机整体组装完成后，由于各个分段部分均是最大限度与设计轮廓重合，整体的轮廓线尺寸满足设计要求，提高了盾构机的生产精度。

附图说明

图1为现有技术中圆形断面盾构机壳体的设计轮廓线和实际轮廓线比较图；

图2为现有技术中异型断面盾构机壳体未调整时的实际轮廓线和设计轮廓线的比较图；

图3为本发明实施例一或二提供的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的异型断面盾构机壳体调整后的实际轮廓线和设计轮廓线的比较图；

图5为本发明实施例二提供的异型断面盾构机壳体的实际轮廓线上标定点的示意图。

图中，100：设计轮廓线，200：实际轮廓线，300：设计轮廓线的中心线，301：第一中心线，302：第二中心线，400：实际轮廓线的中心线，401：第三中心线，402：第四中心线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在确定壳体分段部分法兰面的加工基准线时，通过改变实际轮廓线200与设计轮廓线100的相对位置，使得实际轮廓线200与设计轮廓线100之间的误差实现最小，就可以达到降低分段部分焊接误差积累的目的。因此，如图3所示，本发明实施例提供了一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，包括以下步骤：

获得一异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线200；

设定所述盾构机壳体断面的设计轮廓线100，并将所述实际轮廓线200和设计轮廓线100初始放置在同一平面上；

在所述平面上建立一坐标系，在所述实际轮廓线200上设定多个标定点，并在所述设计轮廓线100上设定与所述实际轮廓线200上的标定点相对应的标定点，根据多个所述实际轮廓线200上标定点在所述坐标系的坐标和相应设计轮廓线100上的标定点在所述坐标系上的坐标获得多个相应的距离；

在所述平面上改变实际轮廓线200的位置，通过最小二乘法使得多个所述距离的平方和最小(即实现最大程度的均匀化)，从而获得当多个所述距离的平方和最小时的实际轮廓线200位置，该实际轮廓线200位置为最优实际轮廓线位置，进而根据所述最优实际轮廓线位置获得所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

优选地，所述设计轮廓线100具有相互垂直的两条中心线，根据所述两条中心线建立所述坐标系。所述设计轮廓线的中心线300包括相互垂直的第一中心线301和第二中心线302，所述设计轮廓线100上距离最长的两个点分别为第一点和第二点，通过连接所述第一点和第二点获得的线段为所述第一中心线301，所述第一中心线301的垂直平分线与所述设计轮廓线100的两交点分别为第三点和第四点，通过连接所述第三点和第四点获得的线段为所述第二中心线302，以经过所述第一中心线301及第二中心线302的两条直线为坐标轴建立所述坐标系。

在本实施例中，根据全站仪获得所述异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线200，如图2所示，将获得的所述实际轮廓线200和设计轮廓线100放置在同一平面上，并使初始放置的所述实际轮廓线的中心线400和设计轮廓线的中心线300重合(即第一中心线301与第三中心线401重合，第二中心线302与第四中心线402重合)，之后，如图4所示，在所述平面上固定所述设计轮廓线100的位置并改变所述实际轮廓线200的位置。

如图4所示，在本实施例中，根据初始设置的所述实际轮廓线的中心线400获得所述最优实际轮廓线的中心线，也就是说，通过第一中心线301和第二中心线302获得了设计轮廓线的中心线300，而初始设置的实际轮廓线的中心线400与设计轮廓线的中心线300重合，故可获得第三中心线401和第四中心线402，改变实际轮廓线200的位置并通过最小二乘法获得最优实际轮廓线位置，对于最优实际轮廓线，其中心线直接采用改变位置后(即处于最优实际轮廓线位置)的第三中心线401及第四中心线402，即无需再对最优实际轮廓线的中心线进行设置(无需再寻找最优实际轮廓线上距离最长两点)，所述最优实际轮廓线的中心线为所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

对于标定点的选用方法以及数量有多种选择。初始放置的所述实际轮廓线和设计轮廓线相对所述坐标系的角度均为360度，在本实施例中，以所述第一中心线301和第二中心线302的交点为所述坐标系的原点，从所述坐标系的原点作一射线与初始设置的所述实际轮廓线200及设计轮廓线100分别产生两个交点，作多条所述射线，多条所述射线等角度设置(即相邻的两条射线夹角为7.5度)，毫无疑问的是，射线的条数越多，标定点也就越多，对实际轮廓线200的标定精度越多，此外考虑到条数过多时较为复杂，综上，在本实施例中，所述射线的数量优选为48条，48条所述射线与所述实际轮廓线200的48个交点为所述实际轮廓线200的标定点，48条所述射线与所述设计轮廓线100的48个交点为与所述实际轮廓线200相对应的所述设计轮廓线100的标定点。

实施例二

与实施例一不同，在本实施例中，如图5所示，所述48个标定点不是等分设置，而是在曲率半径小的实际轮廓线200上设置稀疏的标定点(即两个标定点之间的实际轮廓线长度较大)，且在曲率半径大的实际轮廓线200上设置稠密的标定点(即两个标定点之间的实际轮廓线长度较小)。采用此种标定方法是因为：曲率半径小的地方曲线变化较大，对曲率半径小的曲线处进行密集的标定可实现以高精度的方式描述实际轮廓线200；而曲率半径大的地方曲线变化较小，采用稀疏的点便可以描述实际轮廓线200。

具体地，所述标定点48与标定点12之间的实际轮廓线200上具有11个标定点，所述标定点24与标定点36具有与上述11个点对应的11个标定点，所述标定点48与标定点36之间的实际轮廓线200上具有11个标定点，所述标定点24与标定点12之间的实际轮廓线200上具有与标定点48与标定点36之间的实际轮廓线上11个标定点对应的11个标定点。

以标定点12-24为例，标定点12-16之间按照实际轮廓线200的长度等分为4条线段，且每条线段长度均为设定值为m，标定点22至23之间的长度也为m，标定点23至标定点24的长度亦为m，标定点16-22之间按照实际轮廓线200的长度等分为6条线段，且该6条线段中每条线段的长度均为设定值n，m大于n，同理，可以标定出实际轮廓线200上的其他标定点。而对于设计轮廓线100上的标定点，将初始的实际轮廓线的中心线400和设计轮廓线的中心线300重合设置后，采用同样的方法获得设计轮廓线100上的标定点，在此不再赘述。

综上，为了实际轮廓线200与设计轮廓线100之间实现最大限度的重合，需要调整实际轮廓线200的位置，要求达到实际轮廓线200与设计轮廓线100之间的误差分布最均匀，从而达到实际轮廓线200与设计轮廓线100最大限度重合的目的。在应用中，固定设计轮廓线100及设计轮廓线的中心线300，在设计轮廓线100上标定多个标定点，并在实际轮廓线200上相应标定多个标定点，通过改变实际轮廓线200的位置，计算出设计轮廓线100上任一标定点与实际轮廓线300上相应标定点的误差量(即距离)，进而获得多个距离，任一个距离均是实际轮廓线200位置的函数，随着实际轮廓线200位置的不同而发生变化。根据上述多个误差值(距离)获得误差分布图，在一些实施例中，根据多个误差值的分布情况，求出误差分布最均匀的状态，在本实施例中，误差分布为多个距离的函数，使用最小二乘法对误差分布计算最小值，从而确定出满足误差分布最均匀时的实际轮廓线200的位置，则此时的实际轮廓线200的位置即是所要求出的实际轮廓线200的最优位置，如图4所示。在图4中，尽管实际轮廓线的中心线400不与设计轮廓线的中心线300重合，但实际轮廓线200能实现最大限度地与设计轮廓线100重合。在确定分段部分法兰面的加工基准线时，以设计轮廓线的中心线300作为盾构机壳体法兰面的加工基准线，能够消除制作误差的积累，使得盾构机组装完成后的外轮廓线满足设计要求。

本发明提供了一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，通过最小二乘法计算实际轮廓线200与设计轮廓线100之间的误差分布最均匀时的状态，实现了实际轮廓线200与设计轮廓线100的最大限度重合，使得盾构机分段部分的制作误差最大限度地减少传递和积累到下一道加工工序中。在盾构机整体组装完成后，由于各个分段部分均是最大限度与设计轮廓重合，整体的轮廓线尺寸满足设计要求，提高了盾构机的生产精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得一异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线；

设定所述盾构机壳体断面的设计轮廓线，并将所述实际轮廓线和设计轮廓线初始放置在同一平面上；

在所述平面上建立一坐标系，在所述实际轮廓线上设定多个标定点，并在所述设计轮廓线上设定与所述实际轮廓线上的标定点相对应的标定点，根据多个所述实际轮廓线上的标定点在所述坐标系的坐标和相应设计轮廓线上的标定点在所述坐标系上的坐标获得多个相应的距离；

在所述平面上改变实际轮廓线的位置，通过最小二乘法使得多个所述距离的平方和最小，从而获得当多个所述距离的平方和最小时的实际轮廓线位置，该实际轮廓线位置为最优实际轮廓线位置，进而根据所述最优实际轮廓线位置获得所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

2.如权利要求1所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，所述设计轮廓线具有相互垂直的两条中心线，根据所述两条中心线建立所述坐标系。

3.如权利要求2所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，所述设计轮廓线的中心线包括相互垂直的第一中心线和第二中心线，所述设计轮廓线上距离最长的两个点分别为第一点和第二点，通过连接所述第一点和第二点获得的线段为所述第一中心线，所述第一中心线的垂直平分线与所述设计轮廓线的两交点分别为第三点和第四点，通过连接所述第三点和第四点获得的线段为所述第二中心线，以经过所述第一中心线及第二中心线的两条直线为坐标轴建立所述坐标系。

4.如权利要求3所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，将所述实际轮廓线和设计轮廓线放置在同一平面上，并使初始放置的所述实际轮廓线的中心线和设计轮廓线的中心线重合，之后，在所述平面上固定所述设计轮廓线的位置并改变所述实际轮廓线的位置。

5.如权利要求4所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，根据初始设置的所述实际轮廓线的中心线获得所述最优实际轮廓线的中心线，所述最优实际轮廓线的中心线为所述盾构机壳体法兰面的加工基准线。

6.如权利要求4所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，初始放置的所述实际轮廓线和设计轮廓线相对所述坐标系的角度均为360度，以所述第一中心线和第二中心线的交点为所述坐标系的原点，从所述坐标系的原点作一射线与初始设置的所述实际轮廓线及设计轮廓线分别产生两个交点，作多条所述射线，多条所述射线等角度设置，且所述射线的数量为48条，48条所述射线与所述实际轮廓线的48个交点为所述实际轮廓线的标定点，48条所述射线与所述设计轮廓线的48个交点为与所述实际轮廓线相对应的所述设计轮廓线的标定点。

7.如权利要求1-6任一项所述的获得异型断面盾构机壳体法兰面加工基准线的方法，其特征在于，根据全站仪获得所述异型断面盾构机壳体法兰面的实际轮廓线。