三維激光掃描技術在盾構管片模具檢測方面的應用

馬剛

摘要：現(xiàn)如今，盾構管片模具的傳統(tǒng)檢測手段相對落后，本文主要分析了三維激光掃描的技術特點，通過實驗將所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)檢測手段獲得的數(shù)據(jù)進行對比，研究在盾構管片模具的檢測中應用三維激光掃描技術的優(yōu)勢以及可行性。

關鍵詞：模具檢測；盾構管片；三維激光掃描

在采用盾構法構建的隧道中，盾構管片是整個隧道建筑的主體，因此盾構管片的尺寸精度直接影響著整個隧道的凈空限界。國家相關規(guī)定指出，工程中需要對盾構管片的尺寸嚴格把控。由于盾構管片的載體是管片模具，因此盾構管片的尺寸精度直接由管片載體決定。由于現(xiàn)有的傳統(tǒng)檢測手段比較落后，對于管片模具的檢測還只是停留在二維檢測，對于管片模具是否發(fā)生整體變形根本無法檢測出來。三維激光掃描技術這項高新技術始于上世紀十九年代中期，是一項測繪技術領域的新突破[1] 。其通過對被測物體表面大量密集點的三維坐標進行有效記錄，再利用激光測距原理，可以將被檢測目標的線、面、體各方面數(shù)據(jù)以及其三維模型快速的勾勒出來。

一、采用三維掃測量管片模具

（一）三維掃描儀的技術規(guī)格及工作原理

三維激光掃描儀中的主要系統(tǒng)包括跟蹤器和掃描儀，本文詳細介紹的為MetraSCAN三維掃描儀，其工作原理為：在設備中配有紅色線的激光發(fā)生器，長為635nm，同時配備兩個工業(yè)相機和一個閃光燈。當掃描儀進行工作時，激光線就會直接照射在物體表面，再由兩個工業(yè)相機對這一瞬間進行捕捉，最終得到三維掃描的數(shù)據(jù)[2] 。由于物體不同部位其曲率也不同，因此當光線照射在物體表面時會自然的發(fā)生折射和反射，通過將現(xiàn)實物體的外觀數(shù)據(jù)與表面特征進行掃描，連接計算機并通過相關的軟件，即可將獲取的信息自動生成物體的三維模型，這時就可以將原三維模型與實際測量出來的三維模型進行對比，以此來實現(xiàn)利用三維掃描儀對管片模具進行自動檢測。

（二）三維掃描儀的工作流程

三維激光掃描儀的整體工作流程主要分為三部分，其中包括外業(yè)工作、數(shù)據(jù)的處理以及成果的輸出[3] 。

外業(yè)工作包括對儀器進行預熱、對儀器進行校準、對標靶進行測量以及通過三維掃描進行測量。儀器校準：對跟蹤器的校準主要有四種采集順序，其中覆蓋了垂直、水平以及軸向三個被測量體軸。對掃描儀進行校準需要將校準板放在平面上，保證其處于平穩(wěn)的狀態(tài)，再根據(jù)跟蹤器的位置來調整校準板的位置，直到滿足測試要求為止。單擊掃描儀上的觸發(fā)按鈕，將掃描儀放在校準板上調整位置，直到電腦屏幕中可以顯示圖像為止，并按照軟件顯示的操作提示進行校準。檢測標靶：將跟蹤器的跟蹤檢測范圍調到1.5～4.2m，由于管片的平均長度就在3.4m左右，因此無法一次性就覆蓋整個管片模具。這時可采用搭接的方式將定位標靶依次進行采集，最后將標靶均勻的分布在腔內(nèi)。管片模具掃描：采用掃描儀對模具進行掃描操作，其中需要掃描邊界、孔位以及表面等各個部位。

數(shù)據(jù)處理包括對數(shù)據(jù)首先進行預處理，之后根據(jù)相關軟件生產(chǎn)參考與測試模型，最后通過對齊方式進行最佳擬合對齊。掃描數(shù)據(jù)預處理：先將掃描后的數(shù)據(jù)導入到相關專業(yè)軟件中，通過去除噪聲等干擾來對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。最佳擬合對齊：分兩次對管片模具進行掃描，將初次掃描后的數(shù)據(jù)定為參考模型，第二次掃描后的數(shù)據(jù)定為測試模型，將兩組數(shù)據(jù)建立起統(tǒng)一的坐標系，通過模型的疊加可生成一個3D的色譜偏差圖，最后再進行最佳擬合對齊即可。

成果輸出包括對偏差色譜圖進行3D對比，最后根據(jù)對比結果知道工廠對管片模具進行修復。

二、實例分析

利用三維掃描儀檢測管片模具的整個過程中，只有最佳擬合這一步驟的效果是不可控的，因此本文主要對此通過實驗進行檢驗。本次實驗主要采用的B3-13塊管片模具，分為三組數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)兩兩一組分別進行對比分析。第一組數(shù)據(jù)是對該管片模具進行三維掃描后，用A表示第一組數(shù)據(jù)模型，用a表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測量出的管片模具寬度；第二組數(shù)據(jù)是第二次對該管片模具進行三維掃描后，用B表示第二組數(shù)據(jù)模型，用b表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測量出的管片模具寬度；在完成第二次掃描后，輕微打開螺栓，并對該膜片進行第三次掃描，此次掃描用C表示，用c表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測量出的管片模具寬度，千分尺的測量結果兩兩對比見表1和表2。

三維掃描儀這種全新的檢測方式是通過掃描的方式直接獲取物體三維信息的，其可以將掃描到的物體信息直接轉化為數(shù)字信號，這樣一來就可以方便計算機直接對掃描到的數(shù)字信號進行處理。不僅如此，其在獲取零件信息時無需接觸零件表面，獲取信息的精度高，且用時非常短。如果需要對發(fā)送機配置線中已經(jīng)裝配完成的部件進行檢查，可以利用三維掃描儀對其進行整體性的三維掃描，然后再將掃描后所得到的三維圖像和預設的標準三維圖像進行全方位的比較，判斷其是否合格。一旦發(fā)現(xiàn)采集到的三維圖像與預設圖形不一致，HMI面板就只直接顯示零件不合格，或者設備會發(fā)出警報的信號，這時擋停會對不合格零件實施自行放行，直至將問題零件送到返修的工位。待返修人員將問題零件進行返修并重新上線進行檢測，檢測合格后才能夠進行下一步操作，這樣一來就很大程度上保證了最終裝配的質量。

（一）在發(fā)動機活塞銷卡環(huán)節(jié)監(jiān)測的應用

汽車發(fā)動機在其運行過程中，由于機油的燃燒會在發(fā)動機燃燒室產(chǎn)生巨大的高壓高溫氣體，這些氣體會直接作用于活塞的頂部，然后再通過發(fā)動機內(nèi)的活塞銷孔不斷地向連桿傳送力矩。為了保證在發(fā)動機運行的過程中，活塞銷不會發(fā)生竄動，在對活塞進行分裝時，首先需要做的就是將活塞銷裝入活塞孔中，然后還需要將活塞銷卡環(huán)按要求安裝在鎖環(huán)槽內(nèi)。傳統(tǒng)的檢測活塞安裝是否出錯的方式有二維拍照檢測或者直接使用接觸式測量，但是由于活塞的裝配環(huán)境非常的變幻無常而且很復雜，因此這種傳統(tǒng)的試錯方式很難保證完全識別所有的裝配錯誤問題。

采用三維掃描技術檢測活塞時，三維掃描儀可以在活塞卡簧的安裝部位投射光線，這時兩臺CCD相機可以在該部位同步進行拍照，將圖像采取后在通過頭像采集卡對圖像進行處理，最后再與標準安裝視圖進行全方位對比。這樣一來就可以有效解決活塞的配置問題，最終保證配置質量。

結語

綜上所述，在對盾構管片模具進行檢測時，利用三維激光掃描技術可以生成3D色譜偏差圖，通過偏差圖工作人員可以非常直觀的對模具實際的偏差情況進行標注，不僅可以避免傳統(tǒng)檢測方式的缺點，還可以對盾構管片的模具修復有著準確的指導作用，因此驗證了在盾構管片模具的檢測及修復時，三維激光掃描技術具有明顯的優(yōu)勢以及可行性。

參考文獻：

[1] ]賈燦燦，趙琴音，吳戈.三維激光掃描技術在礦產(chǎn)資源儲量動態(tài)監(jiān)測中的應用[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2016，18（04）：15-17

[2] 韓達光，秦國成，周銀，等.基于BIM和三維激光掃描在基坑監(jiān)測中的應用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2019，38（6）：72-76，102.

[3] 魏志剛.汽車鈑金件的三維激光掃描典型案例[J].科學咨詢，2018，（32）：51-52.

[4] 馬萬里，莫燕，韋淇山.三維掃描技術在汽車發(fā)動機裝配線的應用[J].裝備制造技術，2018，（2）：149-152.

（作者單位：遼寧省交通高等專科學校）