隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法与流程

本发明涉及掘进机刀具测量技术领域，特别是涉及一种隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法。

背景技术：

在例如穿山公路、地铁等施工项目中，广泛应用着隧道掘进机进行道路施工。隧道掘进机刀盘上安装有各种破岩刀具，主要包括盘形滚刀和各种固定式切刀，各种刀具能否按设计位置进行准确定位安装关系到掘进机的工作性能，因而显得尤为重要。如何检验各种刀具是否按照设计图纸的尺寸数据进行准确安装定位，是刀盘刀具出厂检验过程面临的重要问题。

目前，较为常用的检验方法是采用专门定制的模板规尺进行测量。其测量原理大致为：按照每个刀具的设计安装位置在模板上刻出刀具轮廓凹槽和尺寸刻度，之后将模板支架固定在刀盘中心，模板可绕刀盘中心旋转，通过将模板凹槽和尺寸刻度与刀盘上对应刀具的轮廓之间的间隙进行对比来测量各个刀具的安装定位尺寸误差。

该方法的优点是直观、测量结果一目了然，但其存在的缺点是需要根据不同的刀具布置方案针对性的加工专用模板规尺，导致测量成本增加，且大量的模板规尺不利于存放管理；此外，该传统测量方法一般是在工厂内进行刀具定位安装时采用，即刀盘与盾体未进行组装前(刀盘水平放置)阶段采用，安装测量误差较大，并且对于盾构机用户来说，在刀盘安装好后就很难采用该方法对刀具安装尺寸进行检测、验收，因而其通用性不高。

技术实现要素：

基于此，本发明有必要提供一种隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法，能够提高对掘进刀具的的安装定位尺寸进行精确测量，测量结果精度高，且其通用性好，测量成本低。

其技术方案如下：

一种隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法，包括如下步骤：

s1、在刀盘面板上安装第一反射片，定义所述第一反射片的中心点为m，测量出所述刀盘面板的中心点o和所述第一反射片的中心点m的三维坐标值；

s2、在待测刀具的定位点上安装第二反射片，定义所述第二反射片的中心点为a，测量出所述第二反射片的中心点a的三维坐标值；

s3、应用空间解析几何方法对所述第一反射片的中心点m、所述刀盘面板的中心点o以及所述第二反射片的中心点a的三维坐标值进行组合计算，得出待测刀具的安装尺寸数据。

上述隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法首先在刀盘面板上安装第一反射片，之后通过全站仪测量得出刀盘面板的中心点o与第一反射片的中心点m的三维坐标值，之后再在待测刀具的定位点上安装第二反射片，并使用全站仪测量得出第二反射片的中心点a的三维坐标值，最后应用空间解析几何方法对三个中心点的坐标值进行组合计算，从而可以得出待测刀具的安装尺寸数据。如此，不仅可免于针对不同刀具制作专用模板规尺，可大大降低测量成本，同时该测量方法可适用于不同安装或使用状态下的刀具测量，因而其通用性好，且其测量准确性好，测试结果精度高，为掘进刀具安装尺寸的调节与校正提供保障。

下面对本申请的技术方案作进一步地说明：

在其中一个实施例中，在步骤s1测量所述刀盘面板的中心点o的三维坐标值中，以每120度为转动角度旋转刀盘三次，并用全站仪测量刀盘每次转动120度之后的所述第一反射片的中心点的三维坐标并分别记为m1(xm1，ym1，zm1)、m2(xm2，ym2，zm2)、m3(xm3，ym3，zm3)，由点m1、m2和m3确定一个外接圆，则该外接圆的圆心即为所述刀盘面板的中心点o。

在其中一个实施例中，所述刀盘面板的中心点o的三维坐标值的解析几何计算方法为：定义所述刀盘面板的中心点o的坐标为(xo，yo，zo)，所述外接圆的半径为rm，由m1、m2、m3三点坐标确定平面方程：

将上式展开变换得到：

a1x+b1y+c1z+d1＝0(2)

其中：

a1＝ym1zm2-ym1zm3-zm1ym2+ym3zm1+ym2zm3-ym3zm2

b1＝-xm1zm2+xm1zm3+xm2zm1-xm3zm1-xm2zm3+xm3zm2

c1＝xm1ym2-xm1ym3-xm2ym1+xm3ym1+xm2ym3-xm3ym2

d1＝-xm1ym2zm3+xm1ym3zm2+xm2ym1zm3-xm3ym1zm2-xm2ym3zm1+xm3ym2zm1

将圆心坐标(xo，yo，zo)代入式(2)得：

a1xo+b1yo+c1zo+d1＝0(3)

根据圆心o点到m点三个不同位置的距离都相等可得：

由(5)-(4)得：

记a2＝2(xm2-xm1)；b2＝2(ym2-ym1)；c2＝2(zm2-zm1)；

则上式简化为：

a2xo+b2yo+c2zo+d2＝0(7)

由(6)-(4)得：

记a3＝2(xm3-xm1)；b3＝2(ym3-ym1)；c3＝2(zm3-zm1)；

则上式简化为：

a3xo+b3yo+c3zo+d3＝0(8)

式(3)、式(7)、式(8)组成一个关于(xo，yo，zo)的三元一次线性方程组，用矩阵形式表示为：

解此方程组可求得所述刀盘面板的中心点o的三维坐标(xo，yo，zo)：

将上式所得圆心坐标代入式(4)可求出圆半径：

上面求出了刀盘面板的平面方程式(2)和刀盘面板的中心点o的三维坐标(xo，yo，zo)，而刀盘旋转轴线就是过刀盘旋转中心点的平面法线，故刀盘旋转轴的直线方程为：

在其中一个实施例中，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中包括计算待测刀具的安装半径ra，设定待测刀具的定位点a的三维坐标为(xa，ya，za)，则该点到所述刀盘面板的旋转中心轴的垂直距离即为待测刀具的安装半径ra，该安装半径ra的计算公式为：

在其中一个实施例中，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中还包括计算待测刀具的安装高度ha，其中，待测刀具的定位点a到所述刀盘面板的垂直距离即为待测刀具的安装高度ha，根据空间内点到平面的距离公式得：

在其中一个实施例中，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中还包括计算待测刀具的方位角θa，设定刀盘面板转动到角度θ时，通过全站仪测得所述待测刀具的定位点a的三维坐标为(xa，ya，za)，所述第一反射片的中心点m的三维坐标为(xm，ym，zm)；记所述待测刀具的定位点a沿所述刀盘面板的中心轴方向在刀盘面板上的投影点为a＇，所述刀盘面板的旋转轴线的方向矢量为(a1，b1，c1)，所述待测刀具的定位点a到所述刀盘面板的垂直距离为ha，则根据刀盘转轴的直线方程式(12)可求出a＇点的三维坐标为(xa+haa1，ya+hab1，za+hac1)；

将o点与m点连线定义为x轴，则x轴方向矢量为(xo-xm，yo-ym，zo-zm)，o点与a＇点连线的方向矢量为(xa-xo+haa1，ya-yo+hab1，za-zo+hac1)，记xa＇＝xa-xo+haa1；ya＇＝ya-yo+hab1；za＇＝za-zo+hac1，则直线oa＇与x轴之间的夹角即为刀具a的方位角θa，根据空间内两条直线的夹角公式得：

在其中一个实施例中，在步骤s1还包括步骤定义测量坐标系，即定义所述刀盘面板的旋转中心轴为z轴、且沿掘进方向为正；定义所述刀盘面板的中心点o与所述第一反射片的中心点m的连线为x轴、且沿所述刀盘面板的中心向外的方向为正；定义所述刀盘面板的中心点o与x轴垂直的垂线为y轴、且沿所述刀盘面板的中心向外的方向为正。

附图说明

图1为本发明实施例所述的隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”、“设置于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；一个元件与另一个元件固定连接的具体方式可以通过现有技术实现，在此不再赘述，优选采用螺纹连接的固定方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，为本发明展示的一种实施例的隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法，包括如下步骤：

s1、在刀盘面板上安装第一反射片，定义所述第一反射片的中心点为m，使用全站仪测量出所述刀盘面板的中心点o和所述第一反射片的中心点m的三维坐标值；

s2、在待测刀具的定位点上安装第二反射片，定义所述第二反射片的中心点为a，使用所述全站仪测量出所述第二反射片的中心点a的三维坐标值；

s3、应用空间解析几何方法对所述第一反射片的中心点m、所述刀盘面板的中心点o以及所述第二反射片的中心点a的三维坐标值进行组合计算，得出待测刀具的安装尺寸数据。

上述隧道掘进机刀具安装尺寸测量方法首先在刀盘面板上安装第一反射片，之后通过全站仪测量得出刀盘面板的中心点o与第一反射片的中心点m的三维坐标值，之后再在待测刀具的定位点上安装第二反射片，并使用全站仪测量得出第二反射片的中心点a的三维坐标值，最后应用空间解析几何方法对三个中心点的坐标值进行组合计算，从而可以得出待测刀具的安装尺寸数据。如此，不仅可免于针对不同刀具制作专用模板规尺，可大大降低测量成本，同时该测量方法可适用于不同安装或使用状态下的刀具测量，因而其通用性好，且其测量准确性好，测试结果精度高，为掘进刀具安装尺寸的调节与校正提供保障。

需要说明的是，在上述实施例中待测刀具的定位点具体为将掘进机刀具布置轨迹图中各种刀具的安装定位尺寸界线对应的参考点，且各种刀具的定位点一般设在刀刃的对称点或特征点上。此外，刀具的安装定位尺寸一般包括安装半径、安装高度、方位角以及刀具侧倾角等；其中，刀具安装半径：刀具定位点(滚刀刀尖或切削型刀刃中点)距刀盘旋转中心轴的垂直距离(mm)；刀具安装高度：刀具定位点距刀盘面板的垂直距离(mm)；刀具方位角：刀具定位点和刀盘中心连线与x轴的夹角；以x轴方向为0°，逆时针方向为正；刀具侧倾角：刀具自身对称轴与刀盘旋转中心轴线的夹角。进一步地，上述第一反射片和第二反射片可选是透明的塑料片，塑料片上设有“+”标记，便于使用全站仪测量使的标记定位作用，有利于提高测量便利性和准确性。并且，在步骤s1还包括步骤定义测量坐标系，即定义所述刀盘面板的旋转中心轴为z轴、且沿掘进方向为正；定义所述刀盘面板的中心点o与所述第一反射片的中心点m的连线为x轴、且沿所述刀盘面板的中心向外的方向为正；定义所述刀盘面板的中心点o与x轴垂直的垂线为y轴、且沿所述刀盘面板的中心向外的方向为正。如此能够对测量方法及系统提供科学的坐标体系，从而为后续开展个中心点的坐标值测量工作提供的保障。

此外，在步骤s1测量所述刀盘面板的中心点o的三维坐标值中，以每120度为转动角度旋转刀盘三次，并用全站仪测量刀盘每次转动120度之后的所述第一反射片的中心点的三维坐标并分别记为m1(xm1，ym1，zm1)、m2(xm2，ym2，zm2)、m3(xm3，ym3，zm3)，由点m1、m2和m3确定一个外接圆，则该外接圆的圆心即为所述刀盘面板的中心点o。其中，采用多次测量方式得到多个第一反射片的三维坐标值，进而通过形成的外接圆得到刀盘面板的中心点o，如此有力提高中心点o的定位精度，进而确保后续测量准确性。当然，上述转动角度的大小可以以120度为基准上下浮动，例如118度或122度，或者在其他实施方式中，也可以是其他的转动角度大小，也都在本申请的保护范围内。

进一步地，所述刀盘面板的中心点o的三维坐标值的解析几何计算方法为：定义所述刀盘面板的中心点o的坐标为(xo，yo，zo)，所述外接圆的半径为rm，由m1、m2、m3三点坐标确定平面方程：

将上式展开变换得到：

a1x+b1y+c1z+d1＝0(2)

其中：

a1＝ym1zm2-ym1zm3-zm1ym2+ym3zm1+ym2zm3-ym3zm2

b1＝-xm1zm2+xm1zm3+xm2zm1-xm3zm1-xm2zm3+xm3zm2

c1＝xm1ym2-xm1ym3-xm2ym1+xm3ym1+xm2ym3-xm3ym2

d1＝-xm1ym2zm3+xm1ym3zm2+xm2ym1zm3-xm3ym1zm2-xm2ym3zm1+xm3ym2zm1

将圆心坐标(xo，yo，zo)代入式(2)得：

a1xo+b1yo+c1zo+d1＝0(3)

根据圆心o点到m点三个不同位置的距离都相等可得：

由(5)-(4)得：

记a2＝2(xm2-xm1)；b2＝2(ym2-ym1)；c2＝2(zm2-zm1)；

则上式简化为：

a2xo+b2yo+c2zo+d2＝0(7)

由(6)-(4)得：

记a3＝2(xm3-xm1)；b3＝2(ym3-ym1)；c3＝2(zm3-zm1)；

则上式简化为：

a3xo+b3yo+c3zo+d3＝0(8)

式(3)、式(7)、式(8)组成一个关于(xo，yo，zo)的三元一次线性方程组，用矩阵形式表示为：

解此方程组可求得所述刀盘面板的中心点o的三维坐标(xo，yo，zo)：

将上式所得圆心坐标代入式(4)可求出圆半径：

上面求出了刀盘面板的平面方程式(2)和刀盘面板的中心点o的三维坐标(xo，yo，zo)，而刀盘旋转轴线就是过刀盘旋转中心点的平面法线，故刀盘旋转轴的直线方程为：

通过上述计算步骤可精确计算出刀盘面板的中心点o的坐标值，且该方法应用简单，通用性好。

在上述任一实施例的基础上，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中包括计算待测刀具的安装半径ra，设定待测刀具的定位点a的三维坐标为(xa，ya，za)，则该点到所述刀盘面板的旋转中心轴的垂直距离即为待测刀具的安装半径ra，该安装半径ra的计算公式为：

如此可以快速且精确的计算出待测刀具在刀盘上的安装半径，且测试结果精度高，同时该方法可不受刀具类型、安装状态的限制，通用性好。

此外，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中还包括计算待测刀具的安装高度ha，其中，待测刀具的定位点a到所述刀盘面板的垂直距离即为待测刀具的安装高度ha，根据空间内点到平面的距离公式得：

如此可以快速且精确的计算出待测刀具在刀盘上的安装高度，且测试结果精度高，同时该方法可不受刀具类型、刀具安装或使用状态的限制，通用性好。

在进一步地测量步骤中，步骤s3计算待测刀具的安装尺寸数据中还包括计算待测刀具的方位角θa，设定刀盘面板转动到角度θ时，通过全站仪测得所述待测刀具的定位点a的三维坐标为(xa，ya，za)，所述第一反射片的中心点m的三维坐标为(xm，ym，zm)；记所述待测刀具的定位点a沿所述刀盘面板的中心轴方向在刀盘面板上的投影点为a＇，所述刀盘面板的旋转轴线的方向矢量为(a1，b1，c1)，所述待测刀具的定位点a到所述刀盘面板的垂直距离为ha，则根据刀盘转轴的直线方程式(12)可求出a＇点的三维坐标为(xa+haa1，ya+hab1，za+hac1)；

将o点与m点连线定义为x轴，则x轴方向矢量为(xo-xm，yo-ym，zo-zm)，o点与a＇点连线的方向矢量为(xa-xo+haa1，ya-yo+hab1，za-zo+hac1)，记xa＇＝xa-xo+haa1；ya＇＝ya-yo+hab1；za＇＝za-zo+hac1，则直线oa＇与x轴之间的夹角即为刀具a的方位角θa，根据空间内两条直线的夹角公式得：

通过上述方法及公式可快速且精确的计算出待测刀具在刀盘上的方位角，且测试结果精度高，同时该方法可不受刀具类型、刀具安装或使用状态的限制，通用性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。