[发明专利]一种管环平整度自动测量系统

权利要求书

1.一种盾构机管片平整度测量系统，其特征在于，包括盾构机推进油缸、行程传感器、PLC、工控机、显示器；

其中：

若干盾构机推进油缸工作于盾构机盾尾和当前管片之间，在PLC控制下推动盾构机前进；

行程传感器安装于盾构机每根推进油缸内部或外部；行程传感器实时测量掘进状态中推进油缸各活塞杆伸出长度即油缸行程，也即盾构机盾尾基点和管片测量点的间距，所述基点为推进油缸在油缸装配平面的投影中心点，所述测量点为推进油缸在撑靴与管片接触面的投影中心点；

PLC与所有行程传感器连接，PLC获取油缸行程对应的模拟量后转换为数字量，并传输至工控机；

工控机采用盾构机上已有的工控机，工控机包括系统配置模块、背景数据模块、数据通讯模块、平整度计算模块、数据存取模块和数据可视化模块：

所述系统配置模块用于配置软件参数，包括测量周期、设备IP；由盾构司机通过人机接口向PLC输入；

所述背景数据模块用于存储和修改涉及平整度计算模块相关的基础数据，包括配备行程传感器的推进油缸的装配角度；

所述数据通讯模块用于工控机与PLC进行通讯，从而获取推进油缸行程数据；

所述平整度计算模块是本系统应用软件的核心模块，用于根据背景数据和油缸行程数据匹配组合出“安装角度—油缸行程”数据对，进一步计算得出各测量点与理想平面的偏差值；并将偏差数据提供给数据存取模块和可视化模块；利用外部配备垫片及外部机构根据偏差数据进行补偿工序，或者外部人员参阅可视化的偏差数据后进行补偿操作；

所述数据存取模块用于初始测量值和解算结果的存储与查询；

所述数据可视化模块用于根据平整度计算模块的计算数值结果，以便于操作人员理解和观察的方式图形化展示各测量点对应数值；

待完成平整度补偿、管片拼装后，盾构机进入掘进流程，此时本测量系统自动启动并开始平整度测量；

所述平整度计算模块：以一次管片测量点对应的距离偏差值计算；称推进油缸在装配平面投影中心点为基点，称推进油缸在撑靴与管片接触面投影中心点为测量点；各推进油缸对应的基点在圆周上相对展开母线的弧度值用θ表示；推进油缸的活塞杆行程即基点至测量点距离用l表示；初次拟合获取的曲线称为基准曲线，用L₀表示；通过平移得到的曲线称为校准曲线，用L₁表示；各基点与基准曲线L₀距离用Δd_i表示，各基点与校准曲线L₁距离用d_i表示；

(1)上位机获取基点在圆周上相对展开母线的弧度值θ_i以及各推进油缸行程l_i，对应匹配组成n组表征测量点位置的坐标P_i(θ_i,l_i)；

(2)管片具备一定楔形量，其端面为一与隧道横截圆面呈一定角度的空间椭圆，因此各基点与对应测量点连线位于同一斜截圆筒表面；将该斜截圆筒沿盾构机顶部位置(0π)母线展开至平面，则测量点分布特征符合三角函数模型：l＝k₁sin(k₂θ+k₃)+k₄，其中k₁、k₂、k₃、k₄为待定参数；通过数据拟合方法确定k₁、k₂、k₃、k₄后即可获取测量点所在曲线即基准曲线L₀：L₀＝f(θ)；

(3)通过Δd_i＝l_i-f(θ_i)计算油缸行程实际间距与拟合间距的差值，并筛选出Δd_i≤0且距离基准曲线L₀最远的测量点P'(θ',l')及对应的偏差量Δd_min＝l'-f(θ')；

(4)向l减小方向平移曲线L₀至经过偏差最大点P'(θ',l')，此时得到的曲线为校准曲线L₁:L₁＝f₁(θ)＝f(θ)+Δd_min；

(5)利用式d_i＝l_i-f₁(θ_i)计算所有测量点至校准曲线的距离，即可得出管片前沿端面各测量点与校准曲线L₁的距离偏差值。