隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法及装置

技术领域

本发明涉及轨道交通隧道管片检测技术领域，具体涉及一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法及装置。

背景技术

近年来，随着我国高速铁路与城市轨道交通的快速发展，基础构件的生产需求越来越大，隧道盾构管片是主要的基础构件之一，采用工厂化模板预制、一次成型生产。为保证轨道交通建设期间的质量与运维期的安全，我国对隧道盾构管片检测制定了相应的国家标准和行业标准《CJJT 164-2011 盾构隧道管片质量检测技术标准》、《TBT 3353-2014 铁路隧道钢筋混凝土管片》，其中规定管片的外形尺寸是主控检测项。传统检测方法一般采用游标卡尺和钢卷尺等，不仅检测效率低，检测精度低，检测结果与检测人员的熟练程度有关，而且耗费大量的人力，传统检测方法已难以满足越来越高的生产需求与检测需求。另外，随着我国提出的“智能制造”规划，目前很多基础构件生产厂都在大力推动建设智能制造工厂，建设自动化的生产线和智能化的管理平台，减少人力成本投入，提高生产效率，提升产品质量。因此，采用高精度、高效率的智能检测系统，对新时期的轨道交通建设的高质量发展具有重要的作用。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法及装置，将工位台两侧定位的四角标定点的坐标作为参考点进行运动坐标系与测量坐标系的匹配；实现了测量数据与三维点云数据的匹配融合，为每个管片型号进行了量身定制的扫描路线，当实际检测时，输入管片或管片模型的型号集合实现匹配，在测试过程中，省时省力，方便快捷。

本发明一方面的实施例提供一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法，包括：获取隧道管片及管片模具的型号，按照每个型号对应的预设检测路径，对隧道管片及管片模具进行检测，获取三维桁架机械手测量坐标系下的检测数据；从检测数据中提取隧道管片定位小车及管片模具的四角标定点的坐标，对测量坐标系进行标定；利用三维扫描设备获取隧道管片及管片模具在测量坐标系下的三维表面数据；在三维表面数据中提取四角标定点的坐标作为参考点对标定后的测量坐标系与测量坐标系进行匹配，完成坐标系纠正；根据坐标系纠正后的三维点云数据和输入的标准参数，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸，并自动输出检测成果表。

在上述任意一项实施例中优选的，在对测量坐标系进行标定时，以隧道管片定位小车及管片模具的长边作为X轴，短边作为Y轴，Z轴方向向上进行标定。

在上述任意一项实施例中优选的，在输出检测成果表时，包括以下方法：

根据坐标系纠正后的三维点云数据和输入的标准参数，进行角点点云分类、弧线方向分类以及宽度方向分类；利用分类结果进行模型拟合，在拟合模型中进行尺寸计算，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸。

在上述任意一项实施例中优选的，所述标准参数包括对隧道管片及管片模具的处理参数和工件的模型参数。

在上述任意一项实施例中优选的，在进行角点点云分类时，包括按照如下方法对角点点云进行两次定位： 根据输入的处理参数和工件的模型参数，确定隧道管片定位小车及管片模具的四角的初始点云分割范围，基于三维角点提取算法，提取四个角点。基于提取的四个角点，对点云数据进行旋转平移，实现第一次定位；再次调整输入的处理参数和工件的模型参数分割点云，提取角点，实现第二次定位。

在上述任意一项实施例中优选的，利用分类结果在拟合模型中进行尺寸计算时，包括根据分类得出的分割角点云、弧线点云、侧边点云，对分割的点云进行粗差剔除和最小二乘模型拟合，计算角点处的平面和曲面参数、侧面的平面参数、以及弧线的曲线参数。

本发明还提供一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测装置，包括桁架式机械框架、工位台、上位机；所述工位台上设有管片定位小车或管片模具；所述桁架式机械框架上固定安装三维扫描传感器，所述工位台两侧设有定位标志点；所述三维扫描传感器用于获取隧道管片及管片模具得出的三维表面数据；

所述上位机用于获取隧道管片及管片模具的型号，按照每个型号对应的预设检测路径，对隧道管片及管片模具进行检测，获取三维桁架机械手测量坐标系下的检测数据；从检测数据中提取隧道管片定位小车及管片模具的四角标定点的坐标，对测量坐标系进行标定；利用三维扫描设备获取隧道管片及管片模具在测量坐标系下的三维表面数据；在三维表面数据中提取四角标定点的坐标作为参考点对标定后的测量坐标系与测量坐标系进行匹配，完成坐标系纠正；根据坐标系纠正后的三维点云数据和输入的标准参数，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸，并自动输出检测成果表。

在上述任意一项实施例中优选的，所述管片定位小车用于盛放隧道管片，所述管片定位小车按着设定路线运行至工位台。

在上述任意一项实施例中优选的，所述管片模具设置在运行轨道上，所述管片模具与管片之间的位置相对固定，所述轨道对应工位台的位置固定设有挡块，所述管片模具沿着轨道运动至挡块处停止。

本发明提供的一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法及装置，与传统的采用工装、卡尺、钢尺的检测方法相比，大大提高了检测精度和检测效率。

本发明提供的隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测装置，自动化程度高，能节省大量人力，有利于管片生产单位提高检测频次，提高产品的出厂质量。特别是针对管片模具检测，采用传统方法存在测量不准、部分检测项无法测量的问题，本发明专利通过获取表面的三维数据，再进行模型拟合，可检测规范要求的所有尺寸指标，并且精度也满足规范要求。

本发明提供的隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法，采用将工位台两侧定位的四角标定点的坐标作为参考点进行运动坐标系与测量坐标系的匹配；实现了测量数据与三维点云数据的匹配融合，为每个管片型号进行了量身定制的扫描路线，当实际检测时，输入管片或管片模型的型号集合实现匹配，在测试过程中，省时省力，方便快捷。

附图说明

图1所示为本申请一实施例提供的一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法的流程图。

图2所示为本申请一实施例提供的一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测装置中上位机的软件流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。

在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。

本发明一方面的实施例一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法，包括以下步骤：

S1、获取隧道管片及管片模具的型号，按照每个型号对应的预设检测路径，对隧道管片及管片模具进行检测，获取三维桁架机械手测量坐标系下的检测数据；

S2、从检测数据中提取隧道管片定位小车及管片模具的四角标定点的坐标，对测量坐标系进行标定；优选的，在对测量坐标系进行标定时，以隧道管片定位小车及管片模具的长边作为X轴，短边作为Y轴，Z轴方向向上进行标定。

S3、利用三维扫描设备获取隧道管片及管片模具在测量坐标系下的三维表面数据。

S4、在三维表面数据中提取四角标定点的坐标作为参考点对标定后的测量坐标系与测量坐标系进行匹配，完成坐标系纠正；

S5、根据坐标系纠正后的三维点云数据和输入的标准参数，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸，并自动输出检测成果表。

在输出检测成果表时，包括以下方法：

根据工件表面的三维点云数据和输入参数，进行角点点云分类、弧线方向分类以及宽度方向分类；利用分类结果进行模型拟合，在拟合模型中进行尺寸计算，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸。

本发明另一方面实施例中还提供一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测装置，包括桁架式机械框架、工位台、上位机；所述工位台上设有管片定位小车或管片模具；

所述桁架式机械框架上固定安装三维扫描传感器，所述工位台两侧设有定位标志点；

所述三维扫描传感器用于获取隧道管片及管片模具得出的三维表面数据；由桁架式机械系统搭载，针对每种型号的管片和管片模具，分别示教机械路径，完成管片或管片模具的三维表面数据。机械系统具有X、Y、Z三个方向的运动轴，运动范围可满足目前尺寸最大的管片与管片模具。系统同时集成六轴机械臂和定制工装，总之，桁架式机械系统是用于搭载三维激光扫描传感器，采集管片与管片模具的表面三维数据。

进行自动检测时，通过上位机软件，控制机械系统和三维激光扫描设备，针对不同的型号，分别按照不同的示教路径自动运行，从而自动采集管片或管片模具的三维表面数据。

所述上位机用于将工位台两侧的定位标志点的三维坐标信息，形成测量坐标系；利用待测的隧道管片定位小车及管片模具的四角标定点的坐标；对测量坐标系进行标定；在预设的运动坐标系中，提取三维表面数据中四角标定点的坐标作为参考点进行运动坐标系与测量坐标系的匹配；基于工件表面的三维点云数据和输入参数，形成隧道管片或管片模具的外形尺寸，并自动输出检测成果表。在建立管片检测系统时，将管片场所有型号管片的标准参数输入进系统。以后在每次检测时，根据管片型号调用相应的标准参数。

基于工件表面的三维点云数据和标准参数，自动分析管片或管片模具的外形尺寸，并自动输出检测成果表。

优选的，所述管片定位小车用于盛放隧道管片，所述管片定位小车按着设定路线运行至工位台。

所述管片模具设置在运行轨道上，所述管片模具与管片之间的位置相对固定，所述轨道对应工位台的位置固定设有挡块，所述管片模具沿着轨道运动至挡块处停止。

下面将以具体实施例说明，本装置在检测管片或检测管片模具的流程

1.管片检测流程：

人工吊装管片，将管片放置在管片小车的初始位置上（偏差不能太大），通过小车的操作面板选择管片型号，小车自动调整管片至标准位置，调整完成后，再通过小车的操作面板，自动将管片小车运输至固定的检测工位。

机械系统复位到机械原点。打开上位机软件，测量对象选择管片，再选择管片型号。软件自动连接机械系统与三维激光扫描设备，通过软件与机械系统和三维激光扫描设备的交互通信，完成管片三维表面数据的自动采集。软件自动获取扫描数据后，再进行自动分割与建模，提取关键位置的尺寸信息，然后调用系统内的标准参数，最后，自动输出规范要求的尺寸检测报表。

2.管片模具检测流程：

人工吊装管片模具台，模具台放置在轨道上，再将管片模具放置在模具台上，人工操作将模具台推送至固定的检测工位。由于模具台与模具的相对位置是固定的，检测工位设置了机械档位，因此模具台的位置也是固定的，因此可以保证模具的检测位置与调试位置是一致的。

机械系统复位到机械原点。打开上位机软件，测量对象选择管片模具，再选择管片模具的型号。软件自动连接机械系统与三维激光扫描设备，通过软件与机械系统和三维激光扫描设备的交互通信，完成管片模具三维表面数据的自动采集。软件自动获取扫描数据后，再进行自动分割与建模，提取关键位置的尺寸信息，然后调用系统内的标准参数，最后，自动输出规范要求的尺寸检测报表。

本发明提供的一种隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法及装置，与传统的采用工装、卡尺、钢尺的检测方法相比，大大提高了检测精度和检测效率。

本发明提供的隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测装置，自动化程度高，能节省大量人力，有利于管片生产单位提高检测频次，提高产品的出厂质量。特别是针对管片模具检测，采用传统方法存在测量不准、部分检测项无法测量的问题，本发明专利通过获取表面的三维数据，再进行模型拟合，可检测规范要求的所有尺寸指标，并且精度也满足规范要求。

本发明提供的隧道管片及管片模具的外形尺寸快速自动检测方法，采用将工位台两侧定位的四角标定点的坐标作为参考点进行运动坐标系与测量坐标系的匹配；实现了测量数据与三维点云数据的匹配融合，为每个管片型号进行了量身定制的扫描路线，当实际检测时，输入管片或管片模型的型号集合实现匹配，在测试过程中，省时省力，方便快捷。

除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。

所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。

此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。

所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。