基于三維激光掃描技術的起重機檢驗檢測研究

王文征，郭峰，陳莉媛，溫喆，鄭浩，冀剛

（河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院邢臺分院，河北 邢臺 054000）

起重機作為特種設備在工業(yè)體系中占據著非常重要的地位，它的出現(xiàn)大大提高了生產效率，與此同時也帶來了一定的安全風險。目前起重機的檢驗檢測主要是以金屬結構件、主要零部件、安全保護裝置和防護裝置的檢查為主，金屬結構件作為起重機的整體框架，是最難以測量的，其涉及主要外形幾何尺寸包括跨度、小車軌距、起升高度、懸臂長度、拱度、旁彎、基距偏差、對角線偏差、腹板垂直偏斜值、主梁腹板局部翹曲、懸臂翹度等。長時間使用的起重機在各種應力的作用下會出現(xiàn)一定的形變，當形變量超過其設計值或者標準（例如《GB/T 14405-2011》、《GB/T 14406-2011》）、安全技術規(guī)范（TSG Q7016-2016）的要求值時，起重機的運行會存在很大的風險，安全系數成倍的降低，因此監(jiān)測其形變量在一定程度上可以提高其運行安全性。傳統(tǒng)的起重機幾何尺寸檢驗檢測方法通常使用尺子、激光測距儀、水準儀、全站儀等量具儀器，局限性較多，有些數據不方便進行測量，有些數據耗費時間人力物力較多，精度較低，容易引起誤差，并且無法進行長期保存，檢驗檢測人員的安全性也得不到保障。而三維激光測量技術則具有測量時間短，測量方式簡易一次測量可以得到較多數據，易于長期保存進行后續(xù)變形數據追蹤等優(yōu)點。該技術具有快速性、效益高、不接觸性、穿透性、動態(tài)、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化、實時性強等特點，為后續(xù)的專業(yè)數據處理分析提供了強有力的保障。

1 三維激光掃描儀

1.1 三維掃描儀原理

三維激光掃描技術是通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率的快速獲取物體表面各個點與掃描儀中心的距離，經其內部系統(tǒng)運算以掃描儀中心點為坐標0點，便可得出物體表面每一點的坐標（X,Y,Z）值，由這些大量的、密集的坐標信息可快速復建出1:1的真彩色三維點云模型。

1.2 三維激光掃描儀基本構造

本次研究試驗采用的設備為FARO激光掃描儀，它是一款高速三維激光掃描儀，適用于詳細的測量和文件記錄。其能夠在幾分鐘內為復雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細節(jié)豐富的三維圖像。其主要組成部分為激光發(fā)射器、激光接收器、時間計數器和鑒相器、可自動旋轉的濾光鏡、電路板、微電腦和軟件等。激光發(fā)射器和接收器是三維激光掃描的核心，對掃描的功能是否強大起到決定性的作用。時間計數器和鑒相器影響點云的最高精度，不同類型的掃描儀受到影響的程度也不盡相同。高分辨綠的相機在掃描之后并對場景進行拍攝，內置電腦可將彩色相片的像素映射在點云數據上，從而生成彩色的點云三維圖。FARO激光掃描儀所研發(fā)的SCENE軟件是其點云預處理軟件，其處理好的點云還可導入其他軟件進行二次開發(fā)與研究。

2 數據采集方案設計

2.1 概況

本次掃描對象選擇的是某貨場額定載荷50T的通用門式起重機，通用門式起重機一般位于室外，并且其使用環(huán)境多數比較復雜，跨中雜物多，傳統(tǒng)測量手段很難完整的獲取其全部幾何尺寸。因此采用FARO三維激光掃描儀對其進行快速掃描建模，獲取點云數據，為后續(xù)數據分析提供技術支撐。

2.2 現(xiàn)場數據采集流程

激光掃描儀在掃描前需要對掃描的物體進行勘察，根據被測物體特性合理規(guī)劃掃描站點的位置，并根據需求放置靶球。然后架設儀器，設置參數繼進行掃描。影響掃描時間和掃描模型點云圖質量的主要參數是掃描分辨率和質量。分辨率指的是最終的掃描分辨率。可以在 1/1、1/2、1/4、1/5、1/8、1/10、1/16、1/20和1/32之間進行選擇。想要掃描效果越好，就要選擇較大分辨率，但是相對掃描時間就會增加。質量會影響采用固定掃描分辨率時的掃描質量及掃描時間。需要平衡質量和速度的需求，如更注重速度需求，則選擇較低分辨率，如更注重掃描數據的質量，選擇較高分辨率。經現(xiàn)場勘察確認，本次一共掃描9站，掃描過程中儀器與靶球之間，儀器與掃描物體之間盡量避免各種遮擋，儀器架設處不能有震動干擾。同時鏡面反射的物體無法掃描完全時在點云數據里呈現(xiàn)黑色，即數據缺失，因此單站點掃描完成后的預覽圖主要時確認靶球是否都掃描到，若有遺漏則需重新掃描。確認數據完整后可進行下一站的掃描，直至全部站點掃描完畢。因設備位置遮擋原因，在不容易擬合的位置掃描分辨率選擇大一點，本次第一站選擇分辨率為1/5，質量選擇4x，持續(xù)掃描時間為5分11秒，其他站分辨率選擇1/8，質量均選擇4x，每站持續(xù)掃描時間為2分24秒，合計掃描時間共24分23秒。

3 數據處理

3.1 點云數據處理

掃描儀獲得起重機現(xiàn)場點云數據后，需要采用SCENCE軟件進行處理。首先將原始點云數據導入，然后軟件進行點云拼接簡化，在滿足測量精度要求的前提下，選取各個掃描站點進行匹配拼接。完成后對點云數據進行去噪簡化處理，即去除被測物體以外的數據，然后再把局部的障礙物點云去除，即可得被測物的點云圖。本次導入處理用時14分鐘，拼接注冊用時16分鐘，完成掃描云圖如圖1所示。

圖1 某貨場通用門式起重機正視圖

在SCENE軟件中調整好合適的視圖角度，將起重機模型與空間X、Y、Z軸相對應，SCENE軟件中自帶測距功能，在掃描云圖中想要測量的位置插入標記點，然后使用測量對象工具，測量兩個標記點之間的距離，雙擊測量線可以讀取測量對象的屬性見圖2，所得數據可以直接留存在云圖上，可以隨時讀取。

從三維激光掃描儀導出的點云數據中的每個點都具有各自的三維坐標，測量的對象也帶有相應的三維信息，如圖2中可以顯示測量對象的總體距離、垂直距離、水平距離、沿X軸、沿Y軸，以懸臂長度測量為例，我們只需在起點平線（或面）和終點線（或面）選擇任意兩點測量，甚至無需水平，得出的結果我們取沿X軸的數值即為所求，這樣的測量方法大大降低了起重機上部一些數據的測量難度，減少了人工測量的風險。

圖2 測量對象的屬性

3.2 點云數據結果對比分析

（1）安全技術參數比對。①主梁上拱度。根據GB/T14406-2011通用門式起重機可知，主梁應有上拱度，靜載試驗后，上拱度最高點在跨度中部1/10范圍內，其值不應小于0.7S/1000，S為起重機跨度，經計算為18.2mm。利用掃描得到的點云圖進行簡單計算可得拱度為56.15mm。我們用普通的水平儀鋼直尺的方法對該起重機進行測量，結果所得拱度為57mm。受大小車軌道水平高低差，磨損形變和鋼絲繩變形應力存在，水準儀方法會存在一定的誤差，而三維掃描則是直接在點云圖中選點進行計算，實際上三維技術得出的拱度值，相對更準確，接近無誤差狀態(tài)。并且由于鋼直尺測量精度為1mm，而點云數據精度為0.01mm，在一定程度上說，三維掃描的數據結果是要比水準儀鋼直尺測得的數據更加精準的。②腹板垂直偏斜值。GB/T14406-2011通用門式起重機要求箱型梁腹板的垂直偏斜值h≤H/200,H為腹板高度，由點云數據可取H為垂直距離1996.7mm，H/200=99.835mm，沿Y值可得腹板垂直偏斜值h為4.3mm≤99.835mm，符合要求。由實驗結果可知，三維激光掃描建模技術可以用于起重機械安全技術參數的測量，測量結果均符合要求。③與科力達KTS-460R8L型全站儀進行比對。我們在起重機上主梁加強筋的位置選擇11個點分別用三維激光掃描儀和全站儀進行測距，云圖掃描結果可以隨時切換單位，全站儀選擇對邊測量，數據比對如表1（單位m）

表1 三維激光測量結果與全站儀測量結果比對

由表中比對結果可以看出，使用三維激光測量和全站儀測量進行比對，兩者結果的差值在誤差要求范圍內，因此，三維激光測量技術完全可以運用到起重機械的檢驗檢測中。

3.3 試驗結論

通過三組實驗可知，將三維激光測量技術應用于起重機的傳統(tǒng)測量，檢驗檢測以及后續(xù)變形的追溯上有著很大的優(yōu)勢，相較傳統(tǒng)的測量方法，三維激光測量具有測量誤差較小，測量過程安全、用時較短，一次掃描可以測量多組數據，一次可以掃描多個起重機，可長期保存，具有可追溯性等優(yōu)點。

4 數據存儲與動態(tài)研究

針對三維掃描技術的便利性與可靠性，目前我們開發(fā)了一款起重機靜態(tài)幾何尺寸存儲軟件，將我們每次檢驗的數據存儲到數據庫，通過與以往數據進行比對，可分析出起重機的各項尺寸的變形量，從而分析其運行狀態(tài)，疲勞程度，以及是否需要進行大修改造等處理，在一定程度上可以掌握其完整使用周期內的幾何尺寸動態(tài)變量，在幫助企業(yè)排除安全風險的同時，也可作為對制造單位的制造工藝，產品材料等技術工藝的一種評定方法。該軟件是起重機金屬結構測量和可追溯系統(tǒng)，采用動態(tài)掃描功能，實時數據獲取及數據處理，可以自動識別起重機軌道，能自動大數據量建模，自動提取鋼軌中心線，內間距，外間距，可比對監(jiān)測模型數據及設計模型數據，對鋼軌變形超過特定數值記錄并提取。對起重機基礎數據處理，具有建模及設計于一體，基于Microsoft SQL ServerMicrosoft SQL Server JDBC Driver（SQLServer 2000）數據庫的數據分析處理模塊。該系統(tǒng)基于AutoDesk公司AutoCAD基礎上的數據分層，特征點線面的提取，以及與設計圖紙的比對，得出實際數據與設計數據的相對誤差，并比較誤差是否在合理范圍區(qū)間，并建立相應數據檔案永久保存相應數據。存儲的數據類型包含xyz、wrl、xyzb、ptc、ptx、dxf、igs等數據格式。

5 結語

本文以建立某起重機表面三維模型為目的，利用點云數據得出起重機的跨度，拱度，腹板垂直偏斜值經與全站儀對比分析得出其測量精度滿足要求，搭配我們研發(fā)的起重機金屬結構測量和可追溯系統(tǒng)可對被測起重機進行數據追蹤與分析。三維激光掃描技術作為一種成熟的高端測量手段，其高精度、高效率、安全性已經得到了有力證實。目前根據起重機檢驗檢測所需的靜態(tài)幾何尺寸，利用該技術均可以快速高效的完成，然而將該技術運用在檢測起重機主要金屬結構尺寸的動態(tài)變量值是其深度應用的終極目標。