基于激光扫描仪的大直径钢管桩曲率半径非接触式自动测量系统

胡灵斌，夏月，李靖

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

单桩基础是海上风电场建设中最常用的基础形式之一，与普通钢管桩相比，海上风电单桩基础所用钢管桩具有超大直径、超大壁厚、超大重量的特点，由此带来钢管桩生产工艺上的巨大挑战。该类钢管桩由多个管节拼接而成，管节长度约3 m，直径多在6~10 m 之间，并有逐渐扩大的趋势。管节由钢板经过卷板机卷制、回圆制成，该过程中对于管节曲率半径的控制是生产质量控制的重要内容，是后续纵缝焊接、管节拼接精确控制的基础。

在机械生产、模具制造等工业领域中，包含大量对工件圆弧面和圆弧形弯曲件的半径的测量和校核，许多学者和工程人员针对其测量开展了研究工作。目前的测量方式主要分为接触式测量方法和非接触式测量方法，接触式测量方法应用较多，如：1）靠尺，即圆弧样板，其形状与待测管节的设计弧度一致，卷板过程中，卷板工人将靠尺贴近钢板，观察靠尺与钢板缝隙大小判断卷制钢板的弧度是否符合要求。该测量方法主观程度较高，精度低，针对不同直径的钢管桩需要单独生产不同靠尺，造成材料浪费。2）普通卡尺[1]：通过测量工件的直径得到曲率半径，当被测圆弧的圆心角小于180°时，该测量方法无法测得直径。3）圆弧卡尺[2-3]：测量过程中将卡尺3 根测杆的头部同时接触管桩内壁，测量中间测杆相对其他两测杆的位移，通过“弓高弦长法”得到测量段的曲率半径。该方法测量的弧长范围与测杆间距成正比，对于大直径构件，卡尺尺寸需同比例增大，操作较困难，且弦长越长，测量精度越低。非接触式测量方法主要使用光学式测量仪[4-6]或三坐标测量机[7-9]等，通过“拟合法”或“任意三点坐标法”等计算得到被测圆弧的曲率半径，但由于管节大直径的特点，被测圆弧占圆周比例较小，传感器精度、卷制过程中工件振动等扰动对测量结果造成的偏移过大，无法精确反映曲率的实际情况。本文针对现有曲率测量仪器的不足，根据海上风电钢管桩制造的特点，设计了一种适用于大直径钢管桩的高精度曲率半径测量系统，可测量实际曲率与设计曲率的偏差情况，具有精度高、实时性高、使用方便等特点。

1 测量原理

本文测量中使用激光扫描仪对传统靠尺的测量方法进行模拟。图1 为激光扫描仪测得实际部分管桩的示意图，其中为部分管桩的外侧轮廓。根据测距仪的分辨率可知上相邻两点横坐标差值，该精度范围内上所有点的坐标信息均可以得到。A 点为测量起点，对应横轴上的F 点，C 点为测量终点，对应横轴上的H 点，G 点为线段FH 的中点，过G 点做横轴垂线分别交线段AC与于D 点和B 点，过B 点做直线垂直于线段AC 交AC 于E 点。由图可知，当AC 两点的纵坐标差较小时，线段BE≈线段BD，因此比较标准管节与实际测量得到管节两种情况下得到的BE段，可视作标准管节BE 段与实际测得管节BD 段的比较，而两组BE 段的差值，是标准管节即靠尺与实际测量管节之间缝隙的距离大小。

图1 测距仪所得轮廓Fig.1 Contour from the scanner

设 A 点坐标为（x1，y1），C 点坐标为（x2，y2），则D 点坐标为B 点坐标以为横坐标对上点进行检索，得到其纵坐标为y3，则有：

代入标准管节中求得：

式中：R 为标准管节的半径。

BD 与 BE 的差值为：

该距离即为靠尺与实际测量管节相差缝隙的距离。由此，该距离可以通过数字的方式进行量化。实际使用中，可根据管桩要求缝隙距离与测得的缝隙距离之差来判断管节的曲率半径是否符合要求。例如缝隙距离要求小于3 mm，则测量处得到数据小于3 mm 时，该部分管节弯曲程度符合标准，否则需对该部分进行重新回圆等处理。

2 结构设计及测量系统

2.1 激光扫描仪

采用KEYENCE LJ-X8000 系列2D/3D 激光扫描仪，该扫描仪可在一定范围内测量被测物体的二维轮廓，测量原理是通过柱面物镜将激光扩散后投射在目标物表面形成漫反射，使反射光在CMOS 上成像后检测目标物的形状。传统点激光传感器采样一次可取得一点数据，而该激光扫描仪通过扩散激光的方法，一次取点可达3 200 个，且测量精度高，重复精度为10 μm。该扫描仪的测量范围与其功能和安装位置有关，扫描仪距被测物体800～1 000 mm 内测量结果最佳。现场安装时，需要保证扫描仪打出的激光与被测管桩边缘组成的圆周平行，以保证测得的数据真实有效，拟合得到的圆为垂直于轴向的截面圆，与此同时，还需保证扫描仪安装位置在最佳测量范围之内。

2.2 测量设备结构及安装

测量设备核心为扫描仪感应头，安装于支撑板上，支撑板通过M5 螺钉连接至支撑臂上，支撑板可以该螺钉为中心进行旋转，支撑板和支撑臂之间角度可调整，其垂直方向的高度也可调节，支杆通过滑块固定于滑轨上，该滑轨平行于卷板机的压辊，扫描仪可沿滑轨滑动，该结构使得扫描仪感应头可以在空间上自由调节，从而调节激光照射的位置与角度。扫描仪感应头发射激光照射在管桩提前绘制好的标定线上，该标定线与管节两侧边缘平行，该步骤可以保证测量的轮廓线平行于管桩上下两底面，激光反射光回到感应头在其上成像后得到轮廓数据。

2.3 自动测量控制系统

测量控制系统流程如图2 所示。

图2 测量控制系统流程图Fig.2 Flow chart of measurement control system

感应头接受来自控制器的采集指令，发射激光获得管桩轮廓数据后回传给控制器，控制器上具备以太网口，通过网线将数据发送给上位机，上位机对数据进行预处理，去除无效点，得到有效轮廓数据；上位机还接收标准管节半径参数，将上述数据与参数代入测量算法中，即可得到目标管节与标准管节曲率的偏差数据，并在上位机实时显示，供现场工人使用和参考。

3 实施方案及实验结果

根据设备安装结构及控制流程搭建的基于激光扫描仪的大直径钢管桩曲率半径非接触式自动测量设备实际结构见图3，PC 上位机见图4。

图3 设备结构图Fig.3 Structure of equipment

图4 PC 上位机Fig.4 PC host computer

3.1 实施方案

测量系统在使用前需进行位置标定及参数输入，具体步骤如下：

1）设备校正

在测量一个新管节前，需要对扫描仪感应头位置进行校正，调节连接机构改变激光照射在管节的位置与角度，使得激光与管桩的标定线重合，两传感器均标定完成后可以准备开始测量。

2）输入参数

在上位机中输入该管节的设计半径，该半径应为管节外半径，测量的数据将与该标准管节的曲率对比得到偏差值。

3）测量并输出数据

卷板机三辊马达旋转，开始卷板，上位机发出指令，经过控制器到达感应头，感应头发出激光扫描管节轮廓数据，并将数据传输到上位机代入算法计算，得到结果后在上位机显示屏上显示，工人参考该数据调整三辊的位置和上辊压力，直到数据符合该管节的质量标准，同时系统自动存储控制参数与测量数据，为质量检查及数据分析提供数据基础。

3.2 实验结果

实验对象为半径4 000 mm 管节的回圆过程，将测量得到的靠尺与实际测量管节相差缝隙的距离数据以时间为横轴作图，如图5 所示，可以看出通过回圆，该管节的曲率半径与理想数据的差值逐渐减小，最终稳定于3 mm 左右，达到验收标准。该数据的最终测量结果与手持靠尺测量结果吻合，且变化趋势符合现场实际回圆过程，其中段波动较大处为反复回圆焊缝位置导致。

图5 测量结果Fig.5 Measurement result

现场对其他规格管节的卷板和回圆过程也进行了大量测量实验，通过实验可看出，所研究的曲率半径测量系统方案切实可行。

4 结语

在工业领域曲率测量技术的基础上，针对海上风电钢管桩超大直径的特点，研制了一套基于激光扫描仪的非接触式测量系统，实现了工件曲率半径与标准半径偏差的实时测量。实验结果表明，该系统具有实时性高、可靠性强、稳定性好等特点，符合大直径钢管桩生产的工艺需求，且安装简易、使用方便，降低了工人的劳动强度，并为钢管桩生产过程中的质量检测提供了量化指标。后续研究中，可将卷制过程中工件曲率半径测量数据与卷板机三辊位置、压力等参数录入数据库，以测量数据作为控制系统反馈、卷板机参数作为控制变量搭建控制系统，经过大量数据积累后求出系统传递方程，从而实现自动卷板。