管片鋼筋骨架外弧面尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

陳志強(qiáng)

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司,北京 102400)

新建鐵路項(xiàng)目京濱與津?yàn)H項(xiàng)目所用盾構(gòu)管片外徑13.3 m,厚度550 mm,管片寬度2 000 mm,管片添加網(wǎng)狀改性聚丙烯纖維。采用9分塊模式,即6塊標(biāo)準(zhǔn)塊(A塊)、2塊鄰接塊(B塊)、1塊封頂塊(K塊),混凝土強(qiáng)度C60,抗?jié)B等級(jí)P12,管片單環(huán)方量44.2 m3,單塊標(biāo)準(zhǔn)塊最大方量5.3 m3,質(zhì)量約13.25 t,中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司天津分公司承擔(dān)盾構(gòu)管片生產(chǎn)任務(wù)8 332環(huán)。該工程施工標(biāo)準(zhǔn)高,質(zhì)量把控嚴(yán),對(duì)管片鋼筋骨架的外形尺寸質(zhì)檢提出了更高要求。傳統(tǒng)的鋼筋骨架檢測(cè)方法是人工使用鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量,存在人員作業(yè)強(qiáng)度高、效率不高、檢測(cè)一致性不能保證等問(wèn)題,無(wú)法滿足越來(lái)越高的鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

隨著智能檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,檢測(cè)方式宏觀分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量?jī)煞N。由于接觸式測(cè)量對(duì)于工件位置和設(shè)備精度要求較高,同時(shí)需要力控單元防止碰撞損壞,所以自動(dòng)化方案的實(shí)現(xiàn)較困難而且成本較高;而非接觸式測(cè)量由于方便自動(dòng)化方案的實(shí)現(xiàn),越來(lái)越受到行業(yè)的歡迎與認(rèn)可。

近幾年各類檢測(cè)系統(tǒng)陸續(xù)研發(fā)應(yīng)用:許磊[1]基于智能光學(xué)追蹤3D掃描儀,研制了CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板尺寸快速檢測(cè)系統(tǒng)。薛峰、凌烈鵬等[2-3]基于3D相機(jī)技術(shù)和視覺(jué)檢測(cè),研發(fā)了雙塊式軌枕檢測(cè)系統(tǒng)。陳志勇、吳先安等[4]同樣采用智能光學(xué)追蹤3D掃描儀對(duì)管片成品檢測(cè)進(jìn)行了應(yīng)用研究,綜合精度達(dá)到±0.2 mm。經(jīng)調(diào)研以上系統(tǒng),采用智能光學(xué)追蹤3D掃描儀的測(cè)量系統(tǒng)適合大尺寸構(gòu)件的高精度測(cè)量,但是高精度儀器成本偏高,同時(shí)檢測(cè)效率偏低,檢測(cè)時(shí)間10 min左右;而雙塊式軌枕檢測(cè)系統(tǒng)主要分為尺寸測(cè)量和缺陷檢測(cè)兩部分,尺寸測(cè)量主要針對(duì)長(zhǎng)度2.6 m的雙塊式軌枕,整套設(shè)備測(cè)量范圍較小,無(wú)論是設(shè)備行程還是儀器測(cè)量范圍均無(wú)法滿足鋼筋骨架的測(cè)量要求。項(xiàng)目組研發(fā)了一種全新的鋼筋骨架外弧面尺寸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),基于高精度激光三維輪廓測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)外弧面檢測(cè),具有檢測(cè)自動(dòng)化、智能化等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還可以極大的降低人工作業(yè)強(qiáng)度。

1 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

考慮到鋼筋骨架內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,管片鋼筋骨架外形尺寸檢測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)外弧面尺寸進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)鋼筋間距、鋼筋直徑、鋼筋骨架寬度、鋼筋數(shù)量都是質(zhì)量控制項(xiàng)。

考慮項(xiàng)目后續(xù)承攬的需求,需要針對(duì)不同型號(hào)的鋼筋骨架進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)研現(xiàn)有國(guó)內(nèi)管片生產(chǎn)情況,寬度一般不大于2.0 m、弦長(zhǎng)不大于5.5 m、弧面拱高不大于0.5 m。為解決不同型號(hào)鋼筋骨架檢測(cè)的系統(tǒng)兼容性,本文提出的外弧面檢測(cè)系統(tǒng)需要滿足以下技術(shù)要求:

(1)該系統(tǒng)的檢測(cè)范圍可滿足國(guó)內(nèi)最大16 m直徑的管片對(duì)應(yīng)的鋼筋骨架的檢測(cè)需求。

(2)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)入位。鋼筋骨架檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)前,需要將鋼筋骨架放置在軌道車上,通過(guò)寬度、長(zhǎng)度限位固定,系統(tǒng)啟動(dòng)軌道車自動(dòng)進(jìn)入待檢測(cè)區(qū)域。

(3)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)集成高精度激光三維輪廓測(cè)量?jī)x、直線運(yùn)動(dòng)模組、電氣控制系統(tǒng)、部署在工控機(jī)上的上位機(jī)點(diǎn)云采集與處理軟件,實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架外弧面的全自動(dòng)檢測(cè)。

(4)檢測(cè)成果可視化。檢測(cè)系統(tǒng)可以在顯示器上自動(dòng)顯示檢測(cè)結(jié)果,同時(shí)對(duì)結(jié)果合格與否進(jìn)行判定。

(5)檢測(cè)效率高。根據(jù)不同鋼筋骨架尺寸,完成單塊鋼筋骨架的自動(dòng)檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)120 s。

(6)檢測(cè)精度高。該系統(tǒng)基于高精度激光三維輪廓測(cè)量?jī)x進(jìn)行設(shè)計(jì),儀器沿設(shè)備y軸(也即鋼筋骨架寬度方向)檢測(cè)精度為±0.5 mm,重復(fù)精度±0.15 mm,x軸精度通過(guò)設(shè)備的運(yùn)行精度保證±0.2 mm,滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。

2 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行

管片鋼筋骨架外弧面尺寸檢測(cè)系統(tǒng)由四部分組成:①機(jī)械系統(tǒng),主要包括檢測(cè)桁架、軌道小車;②電氣系統(tǒng),主要包括電氣控制柜(內(nèi)含PLC與工控機(jī));③激光三維輪廓測(cè)量?jī)x,主要完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的物理硬件;④上位機(jī)軟件,主要完成數(shù)據(jù)處理分析和檢測(cè)結(jié)果可視化。

鋼筋骨架的檢測(cè)流程為:①將鋼筋骨架放置在軌道小車上;②軌道小車定位鋼筋骨架位置;③啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),使系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)作業(yè)狀態(tài);④選擇正確的類型和型號(hào),啟動(dòng)檢測(cè)軟件;⑤軌道車自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入檢測(cè)工位,觸發(fā)光電傳感器自動(dòng)停止;⑥系統(tǒng)自動(dòng)掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù);⑦系統(tǒng)自動(dòng)處理數(shù)據(jù),與提前輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,輸出檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行判斷;⑧系統(tǒng)完成檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

2.1.1 檢測(cè)桁架

檢測(cè)桁架檢測(cè)設(shè)計(jì)滿足國(guó)內(nèi)最大鋼筋骨架檢測(cè)需求,結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。整套系統(tǒng)安裝尺寸7.0 m(長(zhǎng))×3.5 m(寬)×4.0 m(高),同時(shí)定義長(zhǎng)、寬、高分別對(duì)應(yīng)設(shè)備坐標(biāo)系的x、y、z軸,在獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行部署安裝;所有立柱采用膨脹螺栓固定在地面,立柱安裝后進(jìn)行調(diào)平,以保證x軸運(yùn)動(dòng)精度的穩(wěn)定性和可靠性。桁架設(shè)計(jì)采用工字鋼作為支架,上部安裝斜齒輪齒條與直線導(dǎo)軌作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu),伺服電機(jī)減速器作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備,整體結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓連接起來(lái),使設(shè)備具備x軸運(yùn)動(dòng)的行程;x軸橫梁采用鋁型材設(shè)計(jì),三維激光輪廓掃描儀安裝在橫梁兩側(cè),間距1 000 mm,x軸最終技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)為:行程6 000 mm,通過(guò)齒條、導(dǎo)軌拼接保證?？傎|(zhì)量200 kg,最大速度30 m/min,加速度0.5 m/s2。

圖1 檢測(cè)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.2 軌道車

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè),鋼筋骨架放置定位與軌道車轉(zhuǎn)運(yùn)定位均要保證。天車將鋼筋骨架放置在軌道車上,軌道小車由車體、橫向定位塊、縱向定位塊等組成,對(duì)標(biāo)橫縱定位塊鋼筋骨架放置完畢,保證在儀器的檢測(cè)范圍內(nèi)。軌道車定位通過(guò)安裝在軌道旁邊的光電傳感器觸發(fā),之后電機(jī)制動(dòng),軌道車精確停止。軌道小車流轉(zhuǎn)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)軌道車流轉(zhuǎn)

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)(主要包括行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電傳感器等)、伺服系統(tǒng)(主要包含伺服電機(jī)、伺服控制器、變頻器等)、PLC控制系統(tǒng)(主要包含CPU模塊、數(shù)字模塊、通訊模塊等)組成。

系統(tǒng)自動(dòng)控制流程設(shè)計(jì)為:整套系統(tǒng)上電,在操作站按啟動(dòng)按鈕,PLC系統(tǒng)控制變頻器啟動(dòng)電機(jī),軌道小車沿軌道直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)桁架內(nèi)部,觸發(fā)桁架內(nèi)第1個(gè)光電傳感器后小車變頻器調(diào)速,小車減速運(yùn)行,觸發(fā)桁架內(nèi)第2個(gè)光電傳感器后電機(jī)制動(dòng),軌道小車精確停止,通過(guò)減速停止保證軌道小車入位精度,這樣就間接保證了小車在坐標(biāo)系內(nèi)的固定位置;停止位光電傳感器觸發(fā)后PLC系統(tǒng)接收到信號(hào)小車已就位,PLC接到信號(hào)后控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)激光三維輪廓測(cè)量?jī)x進(jìn)行掃描,運(yùn)動(dòng)范圍覆蓋整個(gè)管片鋼筋骨架后回位,觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)后完成掃描;此時(shí)PLC接到掃描完成信號(hào)控制變頻器再次啟動(dòng)電機(jī),小車?yán)^續(xù)沿軌道直線運(yùn)動(dòng)出檢測(cè)桁架內(nèi)部,觸發(fā)桁架外行程開(kāi)關(guān),電機(jī)制動(dòng)軌道小車停止。電氣自動(dòng)控制流程如圖3所示。

圖3 電氣自動(dòng)控制流程

2.3 激光三維輪廓測(cè)量?jī)x

激光三維輪廓測(cè)量?jī)x采用激光三角測(cè)量原理,利用發(fā)射器將激光投射到待測(cè)物體表面上,通過(guò)傳感器的移動(dòng),即可得到完整輪廓測(cè)量結(jié)果。激光三角測(cè)量法是利用光線空間傳播過(guò)程中的光學(xué)反射規(guī)律和相似三角形原理,在接收透鏡的物空間與像空間構(gòu)成相似關(guān)系,同時(shí)利用邊角關(guān)系計(jì)算出待測(cè)位移。具體原理如下:激光輪廓測(cè)量?jī)x內(nèi)置激光發(fā)生器,通過(guò)發(fā)射線激光,照射到鋼筋骨架表面。傳感器內(nèi)置的相機(jī)從一個(gè)角度獲得鋼筋骨架表面上反射回來(lái)的激光,鋼筋骨架表面不同位置形成不同的三角形。通過(guò)出廠預(yù)先標(biāo)定的傳感器參數(shù),可以計(jì)算出各點(diǎn)的高度數(shù)據(jù),通過(guò)多點(diǎn)成線,又可以得到寬度數(shù)據(jù)。

經(jīng)計(jì)算目前現(xiàn)有國(guó)內(nèi)隧道管片鋼筋骨架上弧面拱高均在500 mm以內(nèi),本文選用的激光三維輪廓測(cè)量?jī)x型號(hào)是SR71600,該儀器測(cè)量范圍如圖4所示,可以有效保證上弧面在儀器測(cè)量的包絡(luò)范圍內(nèi)。

圖4 測(cè)量范圍

鋼筋骨架所測(cè)尺寸均為平面尺寸,不涉及高度數(shù)據(jù),只考慮激光三維輪廓測(cè)量?jī)x在設(shè)備x、y軸上的精度滿足檢測(cè)需求即可。根據(jù)目前鋼筋骨架檢測(cè)需求,鋼筋骨架間距安裝精度要求±5 mm,則按照測(cè)量系統(tǒng)精度是尺寸要求精度的1/10即為高精度檢測(cè),測(cè)量系統(tǒng)精度滿足±0.5 mm足夠。鋼筋骨架直徑檢測(cè)精度要求±2 mm,因?yàn)殇摻钪睆绞穷愃朴?2、16、24、28 mm等尺寸增加的,所以只要判斷出鋼筋有沒(méi)有用錯(cuò)即可滿足鋼筋直徑的檢測(cè)需求。

綜合以上兩個(gè)指標(biāo),測(cè)量系統(tǒng)精度滿足±0.5 mm即為高精度測(cè)量系統(tǒng),該激光三維輪廓測(cè)量?jī)x在設(shè)備y軸上的絕對(duì)精度±0.5 mm,重復(fù)精度±0.15 mm,而x軸精度靠設(shè)備本身保證,所以對(duì)于鋼筋骨架的檢測(cè)精度足夠。考慮鋼筋骨架寬度數(shù)值多數(shù)在2 m,為了適應(yīng)寬度測(cè)量范圍本文采用兩臺(tái)激光三維輪廓測(cè)量?jī)x間距1 m布局完成測(cè)量。測(cè)量?jī)x與鋼筋骨架相對(duì)位置如圖5、圖6所示。

圖5 相對(duì)位置正視圖圖6 相對(duì)位置三維圖

2.4 上位機(jī)軟件

2.4.1 軟件通信控制流程

控制流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)

上位機(jī)軟件包括工控機(jī)與數(shù)據(jù)處理軟件。上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)電氣系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)與激光三維輪廓測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,之后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算。

2.4.2 軟件算法處理流程

數(shù)據(jù)處理軟件基于點(diǎn)云算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)完成自動(dòng)處理,算法流程如圖8所示。

圖8 算法流程

(1)點(diǎn)云運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償:采集桁架系統(tǒng)x軸的運(yùn)行速度,計(jì)算每幀中點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間,通過(guò)計(jì)算時(shí)間與運(yùn)行速度的乘積得到連續(xù)幀之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平移向量,之后將每幀中點(diǎn)的位置減去相應(yīng)的平移向量來(lái)完成平移運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償。通過(guò)點(diǎn)云運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正,消除激光三維輪廓測(cè)量?jī)x本身運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模糊、形變等現(xiàn)象。

(2)點(diǎn)云拼接:通過(guò)平移變換矩陣將補(bǔ)償后的多條線激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接,得到完整的鋼筋骨架外弧面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)點(diǎn)云預(yù)處理:通過(guò)直通濾波器設(shè)置范圍,去除離群點(diǎn),保留鋼筋骨架尺寸范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù);通過(guò)高斯濾波法對(duì)有序點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理,去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)里面的噪聲點(diǎn);通過(guò)PCA對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行降維處理;通過(guò)ROI算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割。

(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度圖像:在點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換強(qiáng)度圖像之前,創(chuàng)建一個(gè)圖像用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)第3步處理后的點(diǎn)云圖像,通過(guò)訪問(wèn)每個(gè)點(diǎn)的屬性獲得強(qiáng)度值,然后提取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度信息,之后采用線性映射方法將強(qiáng)度信息歸一化到灰度值范圍(0～255)內(nèi),最后將歸一化的強(qiáng)度值映射到所創(chuàng)建圖像的對(duì)應(yīng)像素位置上,即可生成各個(gè)激光三維輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍內(nèi)的鋼筋骨架強(qiáng)度圖像。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理和轉(zhuǎn)換后得到的鋼筋骨架強(qiáng)度圖像如圖9所示。

(5)特征提取與匹配:通過(guò)SIFT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)左右鋼筋骨架圖像的拼接,從而得到完整的鋼筋骨架圖像,通過(guò)LBP算法提取鋼筋骨架圖像中的形狀信息,通過(guò)Canny算法提取圖像中的邊緣信息,通過(guò)基于灰度值的相關(guān)匹配算法將提取出的形狀信息與已知的圖像模板進(jìn)行圖像匹配,從而識(shí)別出鋼筋骨架圖像中的主筋、箍筋、鉤筋,通過(guò)提取交叉點(diǎn)后對(duì)鋼筋中心線進(jìn)行最佳線性擬合,最后整逆PCA變換生成鋼筋骨架的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像。經(jīng)過(guò)特征提取與匹配后的完整鋼筋骨架點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像如圖10所示。

圖9 鋼筋骨架圖像圖10 完整鋼筋骨架點(diǎn)云圖(局部)

(6)數(shù)量統(tǒng)計(jì)與尺寸測(cè)量:對(duì)識(shí)別出來(lái)的主筋、箍筋、鉤筋進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各類鋼筋使用數(shù)量。處理第5步提取到的形狀和特征,計(jì)算對(duì)應(yīng)鋼筋的直徑和間距。

(7)系統(tǒng)判定:統(tǒng)計(jì)檢測(cè)用時(shí)與數(shù)據(jù)結(jié)果是否合格。部分檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分檢測(cè)數(shù)據(jù)(主筋間距) mm

3 工程應(yīng)用情況

本設(shè)備的投入使用滿足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于施工時(shí)長(zhǎng)以及施工質(zhì)量的要求,在正常投入使用后,檢測(cè)用時(shí)90 s,運(yùn)行流暢,表明了設(shè)備的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)京濱項(xiàng)目的應(yīng)用情況跟蹤,研發(fā)的管片鋼筋骨架外弧面尺寸檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架的外弧面尺寸自動(dòng)檢測(cè),檢測(cè)過(guò)程無(wú)須人工干預(yù);同時(shí)具有大尺寸、高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn),滿足鋼筋骨架的工業(yè)檢測(cè)需求,解決了鋼筋骨架生產(chǎn)完畢后的工業(yè)質(zhì)檢問(wèn)題。但是也存在幾點(diǎn)不足:①未實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架在線檢測(cè),需要增加兩次人工吊運(yùn),實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)是下一步研究的重點(diǎn);②對(duì)于鋼筋骨架厚度尺寸的檢測(cè)由于技術(shù)受限暫未實(shí)現(xiàn),下一步通過(guò)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決此問(wèn)題;③考慮鋼筋骨架焊接而成,針對(duì)焊點(diǎn)的識(shí)別、數(shù)量和質(zhì)量的檢驗(yàn)也是下一步的研究重點(diǎn)。