一种管片真圆度检测装置及检测方法与流程

本发明涉及隧道管片技术领域，特别是指一种管片真圆度检测装置及检测方法。

背景技术：

盾构机在掘进隧道时一般都采用拼装管片的方式，将新掘进出来的隧道形成有支撑内衬的隧道，这些隧道可用于地铁、铁路、公路、引水、地下管廊等等。由于圆形隧道内衬受力均匀，所以应用广泛。隧道内衬管片的拼环质量直接影响隧道成型后的质量，甚至影响以后的用途。所以圆形隧道对内衬管片的圆度检测起着很重要的作用。但目前还没有高精度拼装管片圆度检测装置，目前，在我国现有的盾构施工条件下，管片姿态主要靠人工测量，由于每次的测量位置不能保持一致且还可能存在工人技术和素质的差异，因此管片姿态的测量结果往往会产生较大的误差，另一方面，盾构机内部狭小的空间和复杂的施工环境会给测量人员带来严重的安全隐患。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种管片真圆度检测装置及检测方法，解决了现有技术中管片姿态不易检测的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种管片真圆度检测方法，步骤如下：

s1：将检测装置放置在待测管片内部，检测装置的滚筒外壁上设有激光测距传感器，滚筒的转动轴线与管片轴线平行；

s2：检测装置的驱动机构带动滚筒转动，激光测距传感器测量管片内壁上检测点到激光测距传感器的距离，并将距离信号传递给后台控制器，驱动机构上设有编码器，编码器将滚筒转动的角度信号传递给后台控制器；

s3：后台控制器根据接收到的距离信号和角度信号计算管片内壁上检测点的坐标，然后根据管片内壁上检测点的坐标确定管片圆心坐标；

s4：根据管片圆心坐标和管片内壁上检测点的坐标，确定管片圆心到检测点之间的距离d，通过距离d之间的比较或通过距离d与管片半径r之间的比较，确定管片是否位于一个圆上。

步骤s3的具体步骤如下：

s3.1：设将管片内壁上的检测点依次设为a1,a2,a3,……an-1，an；激光测距传感器对检测点进行测量时，驱动机构带动滚筒转过的对应旋转角度设为θ1,θ2,θ3,……θn-1，θn；

s3.2：以检测装置的滚筒的圆心为原点a，以首次检测点a1与a之间的距离为x轴，建立平面笛卡尔坐标系，则各检测点坐标可表示为：

a1(d1,0),a2(d2cosθ2,d1sinθ2),a3(d3cos(θ2+θ3),d3sin(θ2+θ3))……

an-1(dn-1cos(θ2+θ3+…+θn-1),dn-1sin(θ2+θ3+…+θn-1)),an(dncos(θ1),dnsin(θ1))；

s3.3：设管片所在的圆为真圆，真圆圆心为o，o点坐标设为(x0,y0)，真圆半径为r0，则对应圆的方程为：(x-x0)²+(y-y0)²＝r0²，则取其中任意3个检测点即可得到一组(x0,y0)和r0的解，故可以得到cn³个真圆圆心(x0,y0)和半径r0；

s3.4：利用迭代法，取个真圆圆心中的任意3个真圆圆心(x0,y0)，再次确定真圆圆心，又可得到个真圆圆心的点集圆圆心(x01,y01)和点集圆半径r1，以此类推，直至点集圆半径误差满足||ri+1||≤ε，i为迭代次数，ε为容许误差；

s3.5：满足步骤s3.4要求的真圆圆心坐标为管片圆心坐标。

步骤s4的具体步骤如下：

s4.1：根据步骤s3可知管片圆心坐标为(x0,y0)，且各检测点a1,a2,a3,……an-1，an的坐标已知；

s4.2：根据两点之间距离公式，计算管片圆心到各检测点a1,a2,a3,……an-1，an的距离依次为d1、d2、d3......dn；

s4.3：管片不变形的状态下，管片半径r已知，通过d1、d2、d3......dn与管片半径r对比，可知管片是否处于同一圆上；

s4.4：管片变形的状态下，通过d1、d2、d3......dn之间的对比，可知管片是否处于同一圆上。

一种管片真圆度检测装置，包括支撑机构，支撑机构上设有安装板，安装板上设有驱动机构，驱动机构的输出端设有滚筒，滚筒的外圆周面上设有至少一个激光测距传感器，驱动机构的输出端的设有编码器，编码器和激光测距传感器分别与后台控制器相连接。

所述驱动机构包括电机和减速机，减速机通过连接板固定在安装板上，所述滚筒的后部设有连接轴，连接轴通过联轴器与减速机的输出轴相连接。

本发明为一种基于迭代算法的管片真圆度检测装置及方法，使盾构掘进机管片组装成环状时，真圆度检测装置安装在任意位置处均可高精度检测管片真圆度，掌握已拼装环管片的组装误差(真圆度)和形状，来修正下一环管片的组装，操作简单，运算量小，可快速准确测量管片真圆度，具有极高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1为本发明管片真圆度检测方法中真圆坐标系示意图。

图2为本发明管片真圆度检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例1，一种管片真圆度检测方法，步骤如下：

s1：将检测装置放置在待测管片内部，检测装置的滚筒6外壁上设有激光测距传感器5，滚筒6的转动轴线与管片轴线平行，保证激光测距传感器5检测的点都在同一个平面内；

s2：检测装置的驱动机构带动滚筒6转动，激光测距传感器5测量管片内壁上检测点到激光测距传感器5的距离，完成对整环管片的测量，并将距离信号传递给后台控制器，驱动机构上设有编码器，编码器将滚筒6转动的角度信号传递给后台控制器；

s3：后台控制器根据接收到的距离信号和角度信号计算管片内壁上检测点的坐标，然后根据管片内壁上检测点的坐标确定管片圆心坐标；

s4：根据管片圆心坐标和管片内壁上检测点的坐标，确定管片圆心到检测点之间的距离d，通过距离d之间的比较或通过距离d与管片半径r之间的比较，确定管片是否位于一个圆上。

步骤s3的具体步骤如下：

s3.1：设将管片内壁上的检测点依次设为a1,a2,a3,……an-1，an；激光测距传感器5对检测点进行测量时，驱动机构带动滚筒6转过的对应旋转角度设为θ1,θ2,θ3,……θn-1，θn；

s3.2：以检测装置的滚筒6的圆心为原点a，以首次检测点a1与a之间的距离为x轴，建立平面笛卡尔坐标系，则各检测点坐标可表示为：

a1(d1,0),a2(d2cosθ2,d1sinθ2),a3(d3cos(θ2+θ3),d3sin(θ2+θ3))……

an-1(dn-1cos(θ2+θ3+…+θn-1),dn-1sin(θ2+θ3+…+θn-1)),an(dncos(θ1),dnsin(θ1))；

s3.3：设管片所在的圆为真圆，真圆圆心为o，o点坐标设为(x0,y0)，真圆半径为r0，则对应圆的方程为：(x-x0)²+(y-y0)²＝r0²，则取其中任意3个检测点即可得到一组(x0,y0)和r0的解，以a1，a2，an为例有：

故可以得到个真圆圆心(x0,y0)和半径r0；

s3.4：利用迭代法，取个真圆圆心中的任意3个真圆圆心(x0,y0)，再次确定真圆圆心，又可得到个真圆圆心的点集圆圆心(x01,y01)和点集圆半径r1，以此类推，直至点集圆半径误差满足||ri+1||≤ε，i为迭代次数，ε为容许误差；

s3.5：满足步骤s3.4要求的真圆圆心坐标为管片圆心坐标。

步骤s4的具体步骤如下：

s4.1：根据步骤s3.5可知管片圆心坐标为(x0,y0)，且各检测点a1,a2,a3,……an-1，an的坐标已知；

s4.2：根据两点之间距离公式：ai为第i个检测点，i＝1、2、3......n；计算管片圆心到各检测点a1,a2,a3,……an-1，an的距离依次为d1、d2、d3......dn；以a2为例：

s4.3：管片不变形的状态下，管片半径r已知，通过d1、d2、d3......dn与管片半径r对比，可知管片是否处于同一圆上；d2大于r，说明相对应的管片过高，d2小于r，说明相对应的管片过低；

s4.4：管片变形的状态下，通过d1、d2、d3......dn之间的对比，可知管片是否处于同一圆上。例d1位于第一个管节上，dn位于第二个管节上，若d1大于dn，说明第一个管节相对第二个管节过高；若d1小于dn，说明第一个管节相对第二个管节过低，对管片进行大概预判。

当检测装置放置倾斜，使检测点没有位于同一个平面内，在上述计算过程中增加相应的z轴及其坐标，运算方式与上述相同。因此该检测装置对于检测装置安装点a无任何要求，故其安装于任意位置均可检测管片真圆度。适用于管片安装作业指导、隧道运行中管片、钢拱架等支护变形检测。

如图2所示，实施例2，上述管片真圆度检测装置，包括支撑机构7，支撑机构7上设有安装板8，安装板8上设有驱动机构，驱动机构的输出端设有滚筒6，滚筒6的外圆周面上设有至少一个激光测距传感器5，根据需要设置，驱动机构的输出端的设有编码器，编码器通过第一信号线与后台控制器9相连接，激光测距传感器5通过第二信号线10与后台控制器9相连接。所述支撑机构可采用三脚架或其他便于调节的支撑架。

进一步所述驱动机构包括相连接的电机1和减速机2，减速机2通过连接板3固定在安装板8上，所述滚筒6的后部设有连接轴，连接轴通过联轴器4与减速机2的输出轴相连接。电机1通过动力线11与后台控制器相连接，用于控制电机的启动与否。

其测量方法与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。