CN111397567A - 一种盾构机表面三维检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机表面三维检测方法及系统，所述盾构机表面三维检测方法包括基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构的类型；通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据；以及基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据。本发明通过数据采集机构进行盾构机表面三维数据的采集过程，从而能够避免通过人工测量的方式进行测量。

Description

一种盾构机表面三维检测方法及系统

技术领域

本发明涉及三维测量领域，进一步地涉及一种盾构机表面三维检测方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM，又名盾构机）得到了极大的发展，被广泛地应用于城市地铁施工、煤矿巷道掘进等施工领域。利用隧道掘进机进行煤矿巷道掘进施工是煤矿采掘领域的一种新型工程建设技术，相比其他传统机械设备具有自动化程度高、节省人力、施工质量高以及施工速度快等优势。一般地，在隧道轴线较长，埋深较大的情况下，采用隧道掘进机采掘更为经济合理。特别是面对地下硬岩时，采用隧道掘进机进行掘进的优势会更加明显。

在盾构机的生产过程中，需要测量盾构机的表面三维尺寸，以使得盾构机的出厂尺寸能够达到精度要求。传统的测量方式通常是采用人工测量的方式进行测量，比如在盾构机生产企业中主要采用直尺、卷尺等方式对盾构机进行测量。采用人工测量不仅耗费巨大的人力资源，而且测量效率低，耗时长，精度低。

综上所述，需要对传统盾构机的表面三维尺寸的测量方式进行改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种盾构机表面三维检测方法及系统，所述三维检测系统结构简单，便于操作，而且测量精度高，测量时间少成本低。

为了实现上述目的，本发明提供一种盾构机表面三维检测方法，包括：

基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构的类型；

通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据；以及

基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据。

在本发明的一些优选实施例中，所述基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构的类型包括：

当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构的关节臂采集所述表面三维数据；

当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构的全站仪采集所述表面三维数据。

在本发明的一些优选实施例中，所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据步骤中，所述数据采集机构所输出的所述表面三维数据位于同一坐标系。

在本发明的一些优选实施例中，在所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据步骤之后还包括：

将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据与标准表面特征数据相比较，以确定所述待检测部件是否达到标准，其中所述标准表面特征数据包括盾壳的半径、螺旋轴旋叶的半径、刀盘的最大开挖半径、驱动箱的分度、驱动箱的垂直度、驱动箱的平行度以及拼装机两个平面的平行度；和

将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据传输至移动式交互设备进行显示。

在本发明的一些优选实施例中，当所述盾构机的所述待检测部件是盾壳时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

确定所述盾壳的多个圆截面，其中一个截面为法兰圆截面，将所述法兰圆截面作为基准面，在另外每个截面，每隔预设的角度选取一个点，以选取预设数量的点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述法兰圆截面的参数，以获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

确定所述预设数量的点在所述法兰圆截面上的投影点；以及

基于所述投影点与所述圆心之间的距离确定所述盾壳的半径。

在本发明的一些优选实施例中，当所述盾构机的所述待检测部件是螺旋轴时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

确定所述螺旋轴的圆柱上的点，确定所述螺旋轴的旋叶上的多个点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述螺旋轴圆柱的参数，以获得所述螺旋轴圆柱的垂直法平面向量、半径以及圆心坐标；

确定所述螺旋轴的旋叶上多个点在圆柱的所述垂直法平面上的投影点坐标；以及

基于所述投影点坐标和所述圆心坐标确定所述螺旋轴的所述旋叶的对应点的半径。

在本发明的一些优选实施例中，当所述盾构机的所述待检测部件是刀盘时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在盾壳的法兰圆截面取预设数量的点；

在每个滚刀选取多个点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据步骤，包括：

拟合所述法兰圆截面的参数，获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

计算所述滚刀上的多个点在所述法兰圆截面上的投影点坐标；

基于所述投影点的坐标和所述圆心坐标确定所述滚刀上的点的半径；以及

将所述滚刀上半径最大的点的半径值确定为所述滚刀的半径。

在本发明的一些优选实施例中，当所述盾构机的所述待检测部件是驱动箱时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在前盘面的大盘面取多个数量的点，将所述前盘面作为基准平面；

在前盘面的小孔内取多个数量的点；

在后盘面的小孔内取多个数量的点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述前盘面的大盘面的参数，获得所述前盘面的大盘面的平面法向量；

拟合所述前盘面小孔的参数，获得所述前盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

拟合所述后盘面小孔的参数，获得所述后盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

基于多个前盘面的孔位的圆心进行拟合圆，孔位圆圆心与拟合圆圆心组成夹角，确定分度；

计算所有圆柱的轴线的平行度；以及

计算所有圆柱轴线与前盘面的垂直度。

在本发明的一些优选实施例中，当所述盾构机的所述待检测部件是拼装机时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在所述拼装机的左平面和右平面分别取多个点，将其中一个平面作为基准平面；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

基于所述左平面和所述右平面上的多个点，确定所述拼装机所述左平面和所述右平面的平行度。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种盾构机表面三维检测系统，用于检测盾构机的待检测部件的表面特征数据，包括：

数据采集机构，所述数据采集机构包括至少一个关节臂和至少一个全站仪，当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构的关节臂采集所述表面三维数据；当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构的全站仪采集所述表面三维数据；

控制机构，所述控制机构被可工作地连接于所述数据采集机构，用于控制所述数据采集机构；以及

数据处理单元，所述数据处理单元适于接收所述数据采集机构所采集的所述盾构机的待检测部件的表面三维数据，并基于所述表面三维数据以生成对应所述盾构机的待检测部件的表面特征数据。

本发明方案包括以下至少一项有益效果：

1、本发明通过数据采集机构进行盾构机表面三维数据的采集过程，从而能够避免通过人工测量的方式进行测量。

2、能够基于盾构机待检测部件的类型确定所使用的数据采集机构的类型，当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构的关节臂采集所述表面三维数据；当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构的全站仪采集所述表面三维数据。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明方案、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的一个优选实施例的盾构机表面三维检测方法的流程图。

图2是本发明的第二个优选实施例的盾构机表面三维检测方法的流程图。

图3是本发明的一个优选实施例的盾构机表面三维检测系统的框图示意图。

附图标号说明：

10数据采集机构、20控制机构、30数据处理单元、40数据分析单元；

11接触式检测单元、12非接触式检测单元、21移动式交互设备；

关节臂111、第一驱动件112、全站仪121、第二驱动件122。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

实施例1

参考说明书附图1，本发明进一步提供一种盾构机表面三维检测方法，包括：

S110基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构10的类型；

S120通过所确定的所述数据采集机构10采集相应所述待检测部件的表面三维数据；以及

S130基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据。

本发明所提供的所述盾构机表面三维检测方法能够自动采集盾构机的待检测部件的表面三维数据，并进行相应的处理生成对应所述待检测部件的表面特征数据，从而能够避免采用人工测量的方式进行测量，并且能够使得测量结果更加地精确。

具体地，所述盾构机的所述待检测部件包括但不限于，盾壳、螺旋轴、刀盘、驱动箱以及拼装机。所测量的所述盾壳的表面特征包括但不限于所述盾壳的截面圆的半径；所测量的所述螺旋轴的表面特征数据包括但不限于所述螺旋轴旋叶的半径；所测量的所述刀盘的表面特征数据包括但不限于所述刀盘的最大开挖半径；所测量的所述驱动箱的所述表面特征数据包括但不限于所述箱体的分度、垂直度以及平行度；所测量的所述拼装机的表面特征数据包括但不限于所述拼装机的两个平面的平行度。

需要指出的是，一方面，本发明通过所述数据采集机构10采集盾构机的所述待检测部件的尺寸，从而能够避免采用人工测量的方式进行测量，不但能够节省人力、降低人工成本，而且能够提高测量的精度。另一方面，本发明所提供的所述数据采集机构10包括至少两种类型，能够基于所述待检测部件的精度要求，选择所述数据采集机构10的类型。

具体地,在所述步骤S110中, 基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构10的类型,进一步包括:

S1101当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构10的关节臂111采集所述表面三维数据；和

S1102当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构10的全站仪121采集所述表面三维数据。

可选地,当所述待检测部件的测量精度要求较低的时候，比如在测量精度要求在1mm以上时，通过所述全站仪采集所述待检测部件的所述表面三维数据；当所述待检测部件的测量精度的要求较高的时候，比如测量精度要求在1mm以下时，通过关节臂采集所述待检测部件的所述表面三维数据。

还需要指出的是，盾构机的箱体的测量精度要求较高，使用关节臂测量，针对其他的盾构机的所述待检测部件，既可以采用所述关节臂测量，可也以采用所述全站仪进行测量，所述全站仪采集所述待检测部件中所述关节臂未采集的待检测部件的表面三维数据。

需要指出的是,在所述步骤S1102中, 通过所确定的所述数据采集机构10采集相应所述待检测部件的表面三维数据, 所述数据采集机构所输出的所述表面三维数据位于同一坐标系。

在通过所述全站仪121和/或所述关节臂111获得所述待检测部件的三维坐标之后，首先将所述三维坐标转换至同一坐标系下，以生成所述表面三维数据。具体通过布尔莎7参数法，根据公共点的坐标，获得原始坐标系与换站后坐标系之间的旋转、平移矩阵，最终将所述表面三维数据的坐标统一到同一坐标系下，考虑到算法的精度以及在空间布置公共点的难易程度，公共点的数量一般取3-4个点；并且对所述表面三维数据进行归一化处理，以缩小所述表面三维数据的各坐标轴坐标的区间范围，优选地，经过归一化处理后的所述表面三维数据的各坐标轴的区间范围在0-10范围内。

实施例2

参考说明书附图2，本发明进一步提供一种盾构机表面三维检测方法，包括：

S210基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构10的类型；

S220通过所确定的所述数据采集机构10采集相应所述待检测部件的表面三维数据；

S230基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据。

S240将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据与标准表面特征数据相比较，以确定所述待检测部件是否达到标准，其中所述标准表面特征数据包括盾壳的半径、螺旋轴旋叶的半径、刀盘的最大开挖半径、驱动箱的分度、驱动箱的圆柱度、驱动箱的垂直度、驱动箱的平行度以及拼装机两个平面的平行度；和

S250将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据传输至移动式交互设备进行显示。

具体的，本实施例中与上述实施例相同的部分参见上述实施例，在此不再一一赘述。

在所述步骤S240中，用于通过最小二乘法的方法，将三维坐标拟合成为平面、圆、圆柱等几何形状，并将几何形状参数与三维坐标进行比较，获得形状偏差；在此，获得平面几何形状参数时，所取的测量点至少为4个，获得圆参数几何形状参数时，所取的测量点至少为4个，获得圆柱参数几何形状时，所取的测量点至少为6个。

在所述步骤S250中，将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据传输至所述移动式交互设备进行显示，所述移动式交互设备包括但不限于平板、笔记本电脑、手机等。在测量过程中，所述移动式交互设备能够随着所述全站仪和/或所述关节臂的移动而不断地改变自身的位置，从而能够便于所述全站仪和/或所述关节臂的操控。

具体地，所述移动式交互设备搭载有三维测量软件，能够在所述移动式交互设备将所述盾构机的所述表面特征数据以三维模型的方式进行展示。可选地，还能够以表格以及二维图片的方式在所述移动式交互设备对所述表面特征数据进行展示。二维图片显示是将测量点和几何形状同时进行展示，表格显示是将单个点的拟合偏差进行展示。

具体地，当所述盾构机的所述待检测部件是盾壳时：

所述步骤S220通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

S201确定所述盾壳的多个圆截面，其中一个截面为法兰圆截面，将所述法兰圆截面作为基准面，在另外每个截面每隔预设的角度选取一个点，以选取预设数量的点；

所述步骤S230，基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

S202拟合所述法兰圆截面的参数，以获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

S203确定所述预设数量的点在所述法兰圆截面上的投影点；以及

S204基于所述投影点与所述圆心之间的距离确定所述盾壳的半径。

进一步地，在所述步骤S201中，在每个截面每隔15°选取一个点，共选取24个点。在所述步骤202中，所获得的所述法兰圆截面的平面法向量为（i ₁，j ₁，k ₁），半径为r ₁，圆心坐标为（x ₁，y ₁，z ₁）；在所述步骤203中，所述预设数量的点在所述法兰圆截面上的投影点的坐标为（

，

，

）那么在所述步骤204中，所述盾壳截面圆上点的半径d，则：

在所述步骤202和所述步骤203之间进一步包括：

基于所述法兰圆截面的圆心坐标和所述盾壳的多个圆截面上的点的坐标，确定所述盾壳的圆度。所述盾壳的圆度值是所述盾壳上的多个点与所述法兰圆截面的圆心之间的距离最大值与最小值之间的差值。可以理解的是，当所述盾壳上的点与所述法兰圆截面的圆心之间的距离明显存在误差时，在确定所述盾壳的圆度时，将该点去除。当所述盾壳的圆度满足要求时，进行步骤S203，当所述盾壳的圆度不满足要求时，记录并反馈结果。

具体地，当所述盾构机的所述待检测部件是螺旋轴时：

所述步骤S220通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

S301确定所述螺旋轴的圆柱上的点，确定所述螺旋轴的旋叶上的多个点；

所述步骤S230，基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

S302拟合所述螺旋轴圆柱的参数，以获得圆柱的垂直法平面向量，半径以及圆心坐标；

S303确定所述螺旋轴的旋叶上多个点在所述圆柱的所述垂直法平面上的投影点坐标；以及

S304基于所述投影点坐标和所述圆心坐标确定所述螺旋轴的所述旋叶的对应点的半径。

进一步地，在所述步骤S301中，所述圆柱的垂直法平面向量是（i ₂，j ₂，k ₂）；在所述步骤302中，所述标记点到所述垂直平面的点的坐标，也就是圆心坐标为（x ₃，y ₃，z ₃）；在所述步骤303中，所述螺旋轴上的旋叶上多个点在所述圆柱的所述垂直法平面上的投影点坐标为（

，

，

）；在所述步骤304中，所述螺旋轴的所述旋叶的对应点的半径d ₁，则：

₁

在所述步骤302和所述步骤303之间进一步包括：

基于所述螺旋轴的圆心坐标和所述螺旋轴上的多个点，确定所述螺旋轴的圆度。所述螺旋轴的圆度值是所述螺旋轴上的点与所述螺旋轴的圆心坐标之间的距离的最大值和最小值之间的差值。可以理解的是，当所述螺旋轴上的点与所述螺旋轴的圆心坐标之间的距离存在明显误差时，需要将对应的点去除。当所述螺旋轴的圆度满足要求时，进行步骤303；当所述螺旋轴的圆度不满足要求时，记录并反馈结果。

具体地，当所述盾构机的所述待检测部件是刀盘时：

所述步骤S220通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

S401在所述盾壳的法兰圆截面取预设数量的点；

S402在每个滚刀选取多个点；

所述步骤S230，基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

S403拟合所述法兰圆截面的参数，以获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

S404计算所述滚刀上的多个点在所述法兰圆截面上的投影点坐标；

S405在每个滚刀选取多个点，计算多个点在所述法兰圆截面上的投影坐标；

S406基于所述投影点的坐标和所述圆心坐标确定所述滚刀上的点的半径；以及

S407将所述滚刀上半径最大的点的半径值确定为所述滚刀的半径。

进一步地，在所述步骤S401中，在所述盾壳的法兰圆截面所选取的点的数量是24个；所获得的所述法兰圆截面的平面法向量为（i ₁，j ₁，k ₁），半径为r ₁，圆心坐标为（x ₁，y ₁，z ₁）；在所述步骤404中，在每个滚刀选取3个点，在所述法兰圆截面上的投影坐标为（

，

，

）；在所述步骤404中，所述滚刀上的点的半径d₂，则：

₂

进一步地，在所述步骤403和所述步骤404之间进一步包括：

基于所述刀盘的圆心坐标和所述滚刀上的多个点，确定所述刀盘的圆度。所述刀盘的圆度等于所述滚刀上的多个点与所述刀盘的圆心坐标之间的距离的最大值与最小值之间的差值。当所述滚刀上的点与所述刀盘的圆心坐标之间的距离误差过大时，需要将对应的点去除。当所述刀盘的圆度满足要求时，进行步骤404；当所述刀盘的圆度不满足要求时，记录并反馈结果。

在所述步骤S406中，将所述滚刀上半径最大的点的半径值确定为所述滚刀的半径：

₂

在确定所述滚刀的半径后，判断所述滚刀的半径是否大于所述法兰圆半径。

具体地，当所述盾构机的所述待检测部件是驱动箱时：

所述步骤S220通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

S501在前盘面的大盘面取多个数量的点，将所述前盘面作为基准平面；

S502在前盘面的小孔内取多个数量的点；

S503在后盘面的小孔内取多个数量的点；

所述步骤S230，基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

S504拟合所述前盘面大盘面的参数，获得所述前盘面大盘面的平面法向量；

S505拟合所述前盘面小孔的参数，获得所述前盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

S506拟合所述后盘面小孔的参数，获得所述后盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

S507基于所述多个前盘面小孔的孔位的圆心进行拟合圆，孔位圆圆心与拟合圆圆心组成夹角，确定分度；

S508计算所有圆柱的轴线的平行度；以及

S509计算所有圆柱轴线与所述前盘面的垂直度。

进一步地，在所述步骤S501中，测量前盘面1个大盘面与7个小孔面的第一个内凹平面；在所述步骤502中，测量所述前盘面7个孔位的圆度；在所述步骤503中，测量所述前盘面7个孔位的圆柱度；在所述步骤503中，使用7个所述孔位的圆心进行拟合圆，孔位圆圆心与拟合圆圆心组成夹角；在所述步骤504中，基于包括中心孔的8个孔位测量拟合出16个圆柱，计算每组两个孔位的同轴度。

在所述步骤S506和所述步骤S507之间进一步包括：

基于所述大盘面上的多个点，确定所述大盘面的平面度；

基于所述前盘面小孔内的多个点坐标和所述前盘面小孔的圆心坐标，确定所述前盘面小孔的圆度；

基于所述后盘面小孔内的多个点的坐标和所述后盘面小孔的圆心坐标，确定所述后盘面小孔的圆度。

可以理解的是，所述前盘面小孔的圆度和所述后盘面小孔的圆度的确定过程与所述盾壳的圆度和所述螺旋轴的圆度的确定过程类似，在这里不在赘述。

具体地，当所述盾构机的所述待检测部件是拼装机时：

所述步骤S220通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

S601在所述拼装机的左平面和右平面分别取多个点，将其中一个平面作为基准平面；和

所述步骤S230，基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

S602基于所述左平面和所述右平面上的多个点，确定所述拼装机的所述左平面和所述右平面的平行度。

需要指出的是，在所述步骤602之前，进一步包括，基于所述拼装机的左平面和右平面上的多个点，确定所述拼装机的左平面的平面度和所述右平面的平面度。当所述左平面的平面度和所述右平面的平面度满足要求时，确定所述左平面与所述右平面之间的平行度。

实施例3

参考说明书附图3，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种盾构机表面三维检测系统，所述盾构机表面三维检测系统用于检测盾构机（又称隧道掘进机）的待检测部件的表面特征数据，以使能够更加精确快速地对盾构机的待检测部件的表面特征数据进行检测。

所述盾构机表面三维检测系统包括数据采集机构10、控制机构20以及数据处理单元30，其中所述数据采集机构10可工作地连接于所述控制机构20，所述控制机构20还可工作地连接于所述数据处理单元30。所述数据采集机构10用于采集所述盾构机的待检测部件的三维数据；所述控制机构20用于控制所述数据采集机构10的工作；所述数据处理单元30适于接收所述数据采集机构10所采集的所述盾构机的所述待检测部件的三维数据，并对所述三维数据进行相应的处理，以生成对应于所述盾构机的所述待检测部件的表面特征数据。

进一步地，所述盾构机表面三维检测系统进一步优选地，所述盾构机的所述待检测部件包括但不限于，盾壳、螺旋轴、刀盘、驱动箱以及拼装机。所测量的所述盾壳的表面特征包括但不限于所述盾壳截面圆的半径；所测量的所述螺旋轴的表面特征数据包括但不限于所述螺旋轴旋叶的半径；所测量的所述刀盘的表面特征数据包括但不限于所述刀盘的最大开挖半径；所测量的所述驱动箱的所述表面特征数据包括但不限于所述箱体的分度、垂直度以及平行度；所测量的所述拼装机的表面特征数据包括但不限于所述拼装机的两个平面的平行度。

包括一个数据分析单元40，所述数据分析单元40可工作地连接于所述数据处理单元30，用于对所述数据处理单元30处理所获得的所述盾构机的表面特征数据与标准数据进行比较分析，并判断是否达到标准。举例但不限于，分析所述盾壳的半径是否达到标准，分析所述螺旋轴的旋叶的半径大小是否达到标准，以及是否相一致；分析所述刀盘的最大开挖半径是否大于所述盾壳的半径；分析所述驱动箱的分度、垂直度以及平行度是否达到标准；分析所述拼装机的两个平面的平行度是否达到标准。

具体地，所述盾构机表面三维检测系统包括一个接触式检测单元11和一个非接触式检测单元12，其中所述接触式检测单元11和所述非接触式检测单元12分别可工作地连接于所述控制机构20，所述控制机构20既能够控制所述接触式检测单元11的工作，还能够控制所述非接触式检测单元12的工作。其中所述接触式检测单元11用于通过与所述盾构机接触的方式检测所述盾构机的所述待检测部件的三维数据，所述非接触式检测单元12用于通过与所述盾构机接触的方式检测所述盾构机的所述待检测部件的三维数据。

所述接触式检测单元11包括至少一个关节臂111和至少一个第一驱动件112，所述第一驱动件112可工作地连接于所述关节臂111，所述第一驱动件112能够带动所述关节臂111沿着预设的路径运动，以获取所述盾构机的待检测部件的三维数据。

所述非接触式检测单元12包括至少一个全站仪121和至少一个第二驱动件122，所述第二驱动件122可工作地连接于所述全站仪，所述第二驱动件122能够带动所述全站仪121沿着预设的路径运动，以获取所述盾构机的待检测部件的三维数据。

所述控制机构20分别可工作地连接于所述第一驱动件112和所述第二驱动件122，用于控制所述第一驱动件112和所述第二驱动件122的工作。所述数据处理单元30可工作地连接于所述关节臂111和所述全站仪121，用于接收所述关节臂111和所述全站仪121所获取的所述盾构机的所述待检测部件的三维数据，并对所述三维数据进行相应的处理，以获得所述盾构机的所述待检测部件的表面特征数据。

所述控制机构20包括至少一个移动式交互设备21，所述移动式交互设备21分别可工作地连接于所述接触式检测单元11的所述第一驱动件112和所述非接触式检测单元12的所述第二驱动件122，并且在测量过程中，所述移动式交互设备21的位置能够随着所述关节臂111和所述全站仪121的位置改变而改变，以提高测量过程中操作的便利性。

优选地，所述移动式交互设备21是平板。可选地，所述移动式交互设备21还能够是包括但不限于手机、笔记本电脑以及智能交互设备。

进一步地，所述数据处理单元30可工作地连接于所述移动式交互设备21，所述数据处理单元30的数据处理结果能够被传输至所述移动式交互设备21进行显示。

可以理解的是，通过被实施为平板的所述移动式交互设备21能够通过点击的方式进行人机交互。优选地，所述数据处理单元30是三维测量软件，并被搭载于被实施为平板的所述移动式交互设备， 被实施为三维测量软件的所述数据处理单元30通过所述平板连接于所述关节臂111和所述全站仪121，并能够将数据处理结果在所述平板进行显示。

被实施为三维测量软件的所述数据处理单元30用于通过计算机软件编程实现对所述三维数据处理，并在统一坐标系下进行数据分析和结果展示。优选地，所述三维测量软件使用PyQt5编程的方式来实现。可选地，所述三维测量软件还能够通过其他编程语言来实现。

进一步地，所述数据处理单元30在对所述三维数据进行处理之前先对所获取的所述三维数据的坐标进行归一化处理，以缩小所述三维数据的x、y、z三个坐标的区间范围。经过归一化处理后的x、y、z的坐标区间的范围在0-10的范围内。

具体地，在所述数据处理单元30进行处理的过程中，在同一坐标系下通过布尔莎7参数法，基于公共点的坐标，获得原始坐标系与换站后坐标系之间的旋转、平移矩阵，最终将三维坐标统一到同一坐标系下。优选地，所选取的公共点的数量是3-4个。

优选地，所述全站仪121能够通过远距离瞄点，并且非接触的方式获得三维数据信息。所述全站仪121可以有多种测量模式，比如反射式模式、圆棱镜模式以及无棱镜模式，所述全站仪121的具体测量模式不应当构成对本发明的限制。

所述关节臂111的关节臂侧头能够与所述盾构机的所述待检测部件的表面接触，并在所述盾构机的所述待检测部件的表面沿着预设的路径运动，以获得所述盾构机的所述待检测部件的三维数据。在采用所述关节臂111进行测量的时候，可以通过对单点进行多次测量并取平均值的方式进行测量，以进一步提高测量的精度。

进一步地，通过被实施为平板的所述移动式交互设备21能够对所述数据处理单元30处理所获得的所述盾构机的表面特征数据进行多种形式的展示，包括但不限于，三维模型、数据表格以及二维图片的方式进行展示。二维图片是将测量点和几何形状同时进行展示，表格显示是将单个点的拟合偏差进行展示。

在所述数据分析单元40在进行数据分析时，通过最小二乘法的方法，将三维坐标拟合成为平面、圆、圆柱等几何形状，并将几何形状参数与三维坐标进行比较以获得形状偏差；在获得平面几何形状参数时，所获取的测量点的数量至少为4个，获得圆柱参数几何形状时，所获取的测量点的数量至少为6个。

需要指出的是，当所述待检测部件的测量精度要求较低的时候，比如在测量精度要求在1mm以上时，通过所述全站仪采集所述待检测部件的所述表面三维数据；当所述待检测部件的测量精度的要求较高的时候，比如测量精度要求在1mm以下时，通过关节臂采集所述待检测部件的所述表面三维数据。

还需要指出的是，盾构机的驱动箱的测量精度要求较高，使用关节臂测量，针对其他的盾构机的所述待检测部件，既可以采用所述关节臂测量，可也以采用所述全站仪进行测量，所述全站仪采集所述待检测部件中所述关节臂未采集的待检测部件的表面三维数据。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构机表面三维检测方法，其特征在于，包括：

基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构的类型；

通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据；以及

基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据。

2.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中所述基于盾构机的待检测部件的类型确定对应的数据采集机构的类型包括：

当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构的关节臂采集所述表面三维数据；

当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构的全站仪采集所述表面三维数据。

3.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于， 其中所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据步骤中，所述数据采集机构所输出的所述表面三维数据位于同一坐标系。

4.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中在所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据步骤之后还包括：

将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据与标准表面特征数据相比较，以确定所述待检测部件是否达到标准，其中所述标准表面特征数据包括盾壳的半径、螺旋轴旋叶的半径、刀盘的最大开挖半径、驱动箱的分度、驱动箱的垂直度、驱动箱的平行度以及拼装机两个平面的平行度；和

将所获得的所述待检测部件的所述表面特征数据传输至移动式交互设备进行显示。

5.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中当所述盾构机的所述待检测部件是盾壳时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

确定所述盾壳的多个圆截面，其中一个截面为法兰圆截面，将所述法兰圆截面作为基准面，在另外每个截面，每隔预设的角度选取一个点，以选取预设数量的点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述法兰圆截面的参数，以获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

确定所述预设数量的点在所述法兰圆截面上的投影点；以及

基于所述投影点与所述圆心之间的距离确定所述盾壳的半径。

6.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中当所述盾构机的所述待检测部件是螺旋轴时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

确定所述螺旋轴的圆柱上的点，确定所述螺旋轴的旋叶上的多个点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述螺旋轴圆柱的参数，以获得圆柱的垂直法平面向量，半径以及圆心坐标；

确定所述螺旋轴的旋叶上多个点在圆柱的所述垂直法平面上的投影点坐标；以及

基于所述投影点坐标和所述圆心坐标确定所述螺旋轴的所述旋叶的对应点的半径。

7.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中当所述盾构机的所述待检测部件是刀盘时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在盾壳的法兰圆截面取预设数量的点；

在每个滚刀选取多个点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据步骤，包括：

拟合所述法兰圆截面的参数，获得所述法兰圆截面的平面法向量、半径以及圆心坐标；

计算所述滚刀上的多个点在所述法兰圆截面上的投影点坐标

基于所述投影点的坐标和所述圆心坐标确定所述滚刀上的点的半径；以及

将所述滚刀上半径最大的点的半径值确定为所述滚刀的半径。

8.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中当所述盾构机的所述待检测部件是驱动箱时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在前盘面的大盘面取多个数量的点，将所述前盘面作为基准平面；

在前盘面的小孔内取多个数量的点；

在后盘面的小孔内取多个数量的点；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

拟合所述前盘面的大盘面的参数，获得所述前盘面的大盘面的平面法向量；

拟合所述前盘面小孔的参数，获得所述前盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

拟合所述后盘面小孔的参数，获得所述后盘面小孔的平面法向量、半径以及圆心坐标；

基于多个所述前盘面小孔的孔位的圆心进行拟合圆，孔位圆圆心与拟合圆圆心组成夹角，确定分度；

计算所有圆柱的轴线的平行度；以及

计算所有圆柱轴线与前盘面的垂直度。

9.根据权利要求1所述的盾构机表面三维检测方法，其特征在于，其中当所述盾构机的所述待检测部件是拼装机时：

所述通过所确定的所述数据采集机构采集相应所述待检测部件的表面三维数据，包括：

在所述拼装机的左平面和右平面分别取多个点，将其中一个平面作为基准平面；

所述基于所述表面三维数据生成所述待检测部件的表面特征数据，包括：

基于所述左平面和所述右平面上的多个点，确定所述拼装机所述左平面和所述右平面的平行度。

10.一种盾构机表面三维检测系统，用于检测盾构机的待检测部件的表面特征数据，其特征在于，所述盾构机表面三维检测系统包括：

数据采集机构，所述数据采集机构包括至少一个关节臂和至少一个全站仪，当所述待检测部件的测量精度小于预设精度时，通过所述数据采集机构的关节臂采集所述表面三维数据；当所述待检测部件的测量精度大于或等于所述预设精度时，通过所述数据采集机构的全站仪采集所述表面三维数据；

控制机构，所述控制机构被可工作地连接于所述数据采集机构，用于控制所述数据采集机构；以及

数据处理单元，所述数据处理单元适于接收所述数据采集机构所采集的所述盾构机的待检测部件的表面三维数据，并基于所述表面三维数据以生成对应所述盾构机的待检测部件的表面特征数据。

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