專利名稱：一種激光測圓裝置及其應用方法
技術領域：
本發(fā)明屬于盾構檢測技術領域，具體涉及一種用于測量盾殼圓度的激光測圓裝置及其應用方法。
背景技術：
盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體鋼組件的殼體即為盾殼，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起臨時支護的作用，承受周圍土層的壓力，在盾殼的保護下拼裝管片形成永久襯砌。盾殼在拼裝時的圓度好壞將直接影響到日后的管片拼裝質量及掘進過程中盾構姿態(tài)的控制和調向，因此在盾構制造、安裝期間測量人員應及時獲取盾殼圓度參數(shù)，并在此期間及時消除誤差顯得尤為重要。在現(xiàn)有技術中，采用高精度的專業(yè)斷面儀施測并用其配套的專業(yè)斷面解算軟件處理數(shù)據(jù)，但是鑒于采購該種儀器成本太高，一般項目不予采購而只是配備具備一般功能的普通全站儀，而且一般的斷面解算軟件其功能也存在一定的局限性，只有在知道設計圓心位置時才能對盾殼斷面進行評定，而對于盾殼圓度檢測來說，這個設計圓心是不存在的，所以該類斷面軟件在實施盾殼圓度檢測時也顯得捉襟見肘，因此如何來更精確地進行盾殼圓度檢測便成了一個棘手的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種激光測圓裝置及其應用方法，該裝置通過采用步進電動機回轉驅動激光測距儀沿周向測量盾殼內壁，獲得不同角度的測量數(shù)據(jù)并通過計算得出盾殼的精確圓度。本發(fā)明目的實現(xiàn) 由以下技術方案完成
一種激光測圓裝置，具體用于測量盾殼圓度，其特征在于所述測圓裝置包括支撐桿、步進電動機以及激光測距儀，所述步進電動機固定于支撐桿上，所述激光測距儀與所述步進電動機上的轉軸固定連接，其中所述激光測距儀位于所述支撐桿的垂直平分線上。所述激光測距儀與所述步進電動機轉軸的固定結構是在所述步進電動機轉軸上套設有一托臺，所述激光測距儀固定于所述托臺上，所述托臺上還設置有與所述激光測距儀相連的計算機處理器。所述激光測距儀內部設置有伸縮裝置，所述伸縮裝置的伸縮方向為沿盾殼軸心線方向。一種上述激光測圓裝置的應用方法，其特征在于至少包括如下步驟將所述激光測圓裝置的支撐桿兩端分別支撐于盾殼內壁上，以保證所述垂直平分線與盾殼中心軸線重合；以所述激光測距儀的回轉中心為圓心，在所述計算機處理器中建立平面坐標系(0，O);其后通過所述激光測距儀將激光射至盾殼內壁，以第一束激光為基準，記錄所述激光測距儀的實測距離dl，偏轉角度ΘI;之后通過所述步進電動機帶動所述激光測距儀每隔一定角度n°旋轉，所述激光測距儀共回轉360°，依次記錄實測距離dl、d2、……di，偏轉角度Θ1、Θ 2……0丨；其中1!°取5 8。之間，共測量360/η個點；通過所述計算機處理器得出該處盾殼內壁上每點的坐標值(ai，bi);在所述360/η個測量點中任選3點，通過計算機處理器得出3點形成的圓的圓心坐標，計算得出
組數(shù)據(jù)的坐標值(Oxi, Oyi),將所述€^_組數(shù)據(jù)的0x，Oy值分別求平均值，作為所述
激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，Oya)； 以所述激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，Oya)為基準，計算360/n個測量點至此圓心的距離Ri，其方差值即為該處盾殼圓度波動的大小，同時得出Rmax和Rmin。所述n°的優(yōu)選值取7.5°，共記錄48個測量點的數(shù)據(jù)。在計算作為所述激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，Oya)之前，在
組數(shù)據(jù)中剔除橫軸Ox最大的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，同樣剔除豎軸Oy最大的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，將剩余60%數(shù)據(jù)的0x，Oy值分別求平均值。以所述盾殼的軸心線為Z軸，所述激光測距儀可在所述伸縮裝置的驅動下在軸向進行伸縮位移，用以微調所述激光測距儀在Z軸上的位置或測量所述盾殼在Z軸方向上的圓度變化。所述盾殼內壁上沿縱向架設有滑軌，所述支撐桿活動連接于所述滑軌上；以所述盾殼的軸 心線為Z軸，所述支撐桿可在滑軌上沿Z軸方向滑動，用以測量所述盾殼在Z軸方向上的圓度變化。本發(fā)明的優(yōu)點是，激光測圓裝置設備安裝簡單，造價低，測量時角度控制便捷、精確，同時可測量盾殼在軸向上的圓度變化，通過計算機處理器可自動換算出盾殼圓度的各項數(shù)據(jù)，精度較高。


圖1為本發(fā)明的結構示意 圖2為本發(fā)明的工作原理 圖3為本發(fā)明的安裝要求圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明的特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術人員的理解
如圖1-3，圖中標記1-8分別為托臺1、激光測距儀2、激光3、步進電動機4、支撐桿5、安裝支架6、轉軸7、盾殼8。實施例如圖1所示，本實施例具體涉及一種激光測圓裝置，適用于地鐵、隧道等平面幾何形狀的數(shù)據(jù)測量，該裝置通過利用機械、激光測距儀和計算機相結合的方法測量盾殼圓度。激光測圓裝置具體由支撐桿5、安裝支架6、步進電動機4、托臺I以及激光測距儀2組成，在盾殼8的內壁面上設置有沿軸向的滑軌，支撐桿5同設置于盾殼8的內壁面上的滑軌活動連接，支撐桿5的垂直平分線與盾殼8的中心軸線重合，而安裝架6、步進電動機
4、托臺I以及激光測距儀2則沿盾殼8的中心軸線軸向設置(即設置于支撐桿5的垂直平分線上)，其中安裝支架6與支撐桿5通過螺栓連接，安裝支架6與步進電動機4通過法蘭連接，安裝支架6具備調節(jié)功能，用于在測量前調整測量裝置姿態(tài)，在步進電動機4的轉軸7上套裝有托臺1，兩者采用鍵連接，該托臺I用以設置激光測距儀2，激光測距儀2測量精度在±lmm以內，具備無線傳輸功能；同時在激光測距儀2和托臺I之間設置伸縮裝置，用以驅動激光測距儀2在軸向移動，在測量前可微調激光測距儀2內的光源在盾殼8的軸向上的位置。如圖1-3所示，以下為激光測圓裝置的應用方法，具體步驟如下
(1)在盾殼8內安裝激光測圓裝置，支撐桿8的兩端分別與盾殼8的內壁垂直連接，利用水平儀、垂直儀等設備現(xiàn)場通過安裝支架6調整，使激光測距儀2發(fā)射的激光3與其回轉平面的夾角控制在1°以內，以保證激光測距儀2與盾殼8內軸線的垂直度；
(2)調試激光測距儀2與計算機處理器，確保兩者均處于正常工作狀態(tài)。(3)以激光測距儀2的回轉中心為圓心，在計算機處理器中建立平面坐標系，回轉中心即為圓心(0，O)；
(4)通過激光測距儀2將激光3射至盾殼8內壁，以第一束激光為基準(默認為坐標系的0°方向)，測量激光測距儀2的實測距離dl以及偏轉角度Θ I;之后每隔7.5°旋轉測量一組數(shù)據(jù)，激光測距儀2回轉360°，共測量得48組數(shù)據(jù)，依次記錄實測距離dl、d2、……di以及偏轉角度1、Θ 2……Θ i ；
(5)通過計算機處理器處理所測數(shù)據(jù)之后，得出該處盾殼8內壁上每點的坐標值(ai, bi)；
(6)在得出的各點坐標值數(shù)據(jù)之中任選3點，通過計算機處理器得出3點形成的圓的圓心坐標，計算得出eL組數(shù)據(jù)的坐標值；
(7)在eL組數(shù)據(jù)中剔除橫軸Ox最大的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，同樣剔除豎軸Oy最大
的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，將剩余60%數(shù)據(jù)的0x，Oy值分別求平均值，作為盾殼8內該處的計算圓心坐標(0xa, Oya)；
(8)以該處的計算圓心坐標(0xa，0ya)為基準，計算48個測量點至此圓心的距離Ri，其方差值即為盾殼8圓度波動大小，另得出Rmax和Rmin。(9)為便于掌握盾殼8軸向上圓度數(shù)據(jù)，以盾殼8的軸向作為z軸，通過設置于托臺I和激光測距儀2之間的伸縮裝置驅動激光測距儀2在軸向上進行短距離移動，同時在滑軌上可進行長距離軸向移動，并按照上述(3) - (8)所述的方法測量z軸上不同坐標處的圓度大小?；剞D中心點與激光發(fā)射點的距離問題激光測距儀2的測量距離為激光發(fā)射點至目標物間的距離，實際距離為回轉中心點至目標物的距離，這兩點間的距離可通過將支架和激光測距儀作為一個整體件來解決，在工廠生產安裝時就將這兩點之間的距離確認，在具體測量時此值加至實測距離上。目標物反射面為弧面時， 應盡量將激光測距裝置定位靠近至實際圓心，這樣確保激光至目標面的基本垂直。
權利要求
1.一種激光測圓裝置，具體用于測量盾殼圓度，其特征在于所述測圓裝置包括支撐桿、步進電動機以及激光測距儀，所述步進電動機固定于支撐桿上，所述激光測距儀與所述步進電動機上的轉軸固定連接，其中所述激光測距儀位于所述支撐桿的垂直平分線上。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種激光測圓裝置，其特征在于所述激光測距儀與所述步進電動機轉軸的固定結構是在所述步進電動機轉軸上套設有一托臺，所述激光測距儀固定于所述托臺上，所述托臺上還設置有與所述激光測距儀相連的計算機處理器。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種激光測圓裝置，其特征在于所述激光測距儀內部設置有伸縮裝置，所述伸縮裝置的伸縮方向為沿盾殼軸心線方向。
4.一種涉及權利要求1-2所述激光測圓裝置的應用方法，其特征在于至少包括如下步驟 將所述激光測圓裝置的支撐桿兩端分別支撐于盾殼內壁上，以保證所述垂直平分線與盾殼中心軸線重合； 以所述激光測距儀的回轉中心為圓心，在所述計算機處理器中建立平面坐標系(O，O);其后通過所述激光測距儀將激光射至盾殼內壁，以第一束激光為基準，記錄所述激光測距儀的實測距離dl，偏轉角度Θ I ;之后通過所述步進電動機帶動所述激光測距儀每隔一定角度n°旋轉，所述激光測距儀共回轉360°，依次記錄實測距離dl、d2、……di，偏轉角度Θ1、Θ 2……0丨；其中1!°取5 8。之間，共測量360/η個點；通過所述計算機處理器得出該處盾殼內壁上每點的坐標值(ai，bi)； 在所述360/n個測量點中任選3點，通過計算機處理器得出3點形成的圓的圓心坐標，計算得出CL·組數(shù)據(jù)的坐標值(Oxi, Oyi),將所述組數(shù)據(jù)的0x，Oy值分別求平均值，作為所述激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，0ya); 以所述激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，Oya)為基準，計算360/n個測量點至此圓心的距離Ri，其方差值即為該處盾殼圓度波動的大小，同時得出Rmax和Rmin。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種激光測圓裝置的應用方法，其特征在于所述n°的優(yōu)選值取7. 5°，共記錄48個測量點的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種激光測圓裝置的應用方法，其特征在于在計算作為所述激光測距儀安裝位置處的計算圓心坐標(0xa，Oya)之前，在組數(shù)據(jù)中剔除橫軸Ox最大的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，同樣剔除豎軸Oy最大的10%和最小的10%數(shù)據(jù)，將剩余60%數(shù)據(jù)的0x，Oy值分別求平均值。
7.根據(jù)權利要求3或4所述的一種激光測圓裝置的應用方法，其特征在于以所述盾殼的軸心線為Z軸，所述激光測距儀可在所述伸縮裝置的驅動下在軸向進行伸縮位移，用以微調所述激光測距儀在Z軸上的位置或測量所述盾殼在Z軸方向上的圓度變化。
8.根據(jù)權利要求4所述的一種激光測圓裝置的應用方法，其特征在于所述盾殼內壁上沿縱向架設有滑軌，所述支撐桿活動連接于所述滑軌上；以所述盾殼的軸心線為Z軸，所述支撐桿可在滑軌上沿Z軸方向滑動，用以測量所述盾殼在Z軸方向上的圓度變化。
全文摘要
本發(fā)明屬于盾構檢測技術領域，具體涉及一種用于測量盾殼圓度的激光測圓裝置及其應用方法。該激光測圓裝置包括支撐桿、固定于支撐桿上的步進電動機以及固定于步進電動機轉軸上的激光測距儀，其中支撐桿兩端分別支撐于盾殼內壁上，步進電動機以及激光測距儀均位于支撐桿的垂直平分線上，即盾殼的軸心線方向；之后以激光測距儀為回轉中心，每隔一定角度測量盾殼內壁上點的坐標，并通過特殊編制的計算方法來測算盾殼的圓度。本發(fā)明的優(yōu)點是，激光測圓裝置設備安裝簡單，造價低，測量時角度控制便捷、精確，同時可測量盾殼在軸向上的圓度變化，通過計算機處理器可自動換算出盾殼圓度的各項數(shù)據(jù)，精度較高。
文檔編號G01B11/24GK103033144SQ201210561940
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月22日 優(yōu)先權日2012年12月22日
發(fā)明者宋振華, 祝平, 朱中意 申請人:上海市隧道工程軌道交通設計研究院