基于三維激光掃描技術(shù)的船用柴油機(jī)管系檢測(cè)

唐豪，陸龍，楊?yuàn)^強(qiáng)，張雷雷，馮媛

（陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

0 引言

船用中速柴油機(jī)管系結(jié)構(gòu)多樣，空間轉(zhuǎn)角和彎曲角度不盡相同，對(duì)于船用中速柴油機(jī)復(fù)雜空間管件的檢測(cè)，主要采用傳統(tǒng)的劃線式檢測(cè)和工裝比對(duì)接口的模式，檢測(cè)時(shí)間周期長(zhǎng)，并且無法得到精確的測(cè)量值；嚴(yán)重影響裝機(jī)效率和裝機(jī)質(zhì)量。相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)模式，三維激光掃描技術(shù)具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優(yōu)勢(shì)，通過大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確表達(dá)被測(cè)對(duì)象的空間幾何特征[1]。林偉恩等[2]利用三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確完整地記錄了船體型線空間幾何特征信息，降低了船體型線數(shù)據(jù)處理難度，提高了型線圖繪制效率。張遠(yuǎn)智等[3]利用三維激光掃描技術(shù)有效檢測(cè)出管道的幾何變形量，相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)具有更高的檢測(cè)精度。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，目前三維激光掃描技術(shù)對(duì)于船用中速柴油機(jī)管系檢測(cè)研究實(shí)例較少，所以將三維激光掃描技術(shù)引入到船用中速柴油機(jī)管系檢測(cè)中，對(duì)提高船用中速柴油機(jī)管件檢測(cè)的效率和管件制作的精準(zhǔn)性有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)三維激光掃描測(cè)量原理對(duì)船用中速柴油機(jī)管系進(jìn)行檢測(cè)，基于獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析了管系的空間尺寸和偏差情況，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在船用中速柴油機(jī)管系檢測(cè)領(lǐng)域的可行性。

1 三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取

三維掃描過程中需正確連接設(shè)備的各組件，在每次開始掃描之前需對(duì)掃描設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證掃描模型的精度要求。校準(zhǔn)完成之后需對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保被掃描物體在有效掃描區(qū)域內(nèi)，完成以上準(zhǔn)備工作后，等待設(shè)備預(yù)熱結(jié)束后方可開始掃描。本次掃描采用的是TrackScan跟蹤式三維掃描系統(tǒng)，掃描精度為0.025 mm，最高掃描速率為每秒測(cè)量1 900 000次，無需貼點(diǎn)就可以完成超高精度動(dòng)態(tài)三維測(cè)量。

1.1 掃描環(huán)境

三維掃描的過程中要確保是在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行掃描，保證三維激光掃描儀的穩(wěn)固性和避免強(qiáng)光和逆光的對(duì)射，最大程度地減少外部因素對(duì)三維掃描結(jié)果的影響。

1.2 掃描校準(zhǔn)

為掃描出精確的三維模型數(shù)據(jù)，在掃描前要進(jìn)行掃描校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程中要根據(jù)三維激光掃描儀預(yù)先設(shè)置的掃描模式，計(jì)算出設(shè)備和工件之間的位置距離。校準(zhǔn)三維激光掃描儀時(shí)，根據(jù)工件的尺寸來調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置的三維掃描環(huán)境。校準(zhǔn)完成后，可以通過掃描已知三維數(shù)據(jù)的測(cè)量物體來進(jìn)行檢查比對(duì)。

1.3 表面處理

三維掃描對(duì)工件表面也有要求，對(duì)于半透明材料、光澤性好、顏色較暗的工件需要在工件表面上噴上薄薄的一層顯像劑，目的是為了更好地掃描出物體的三維特征，得到更精確的模型數(shù)據(jù)。但顯像劑噴灑過多，會(huì)造成物體厚度的疊加，從而影響掃描精度。船用中速柴油機(jī)空氣進(jìn)口管的材質(zhì)為022Cr19Ni10不銹鋼，表面涂有防銹漆；能夠掃描出物體的三維特征，因此不需要進(jìn)行表面處理的工作。

1.4 掃描過程

掃描準(zhǔn)備工作完成后就可以對(duì)工件進(jìn)行掃描，用三維激光掃描儀對(duì)掃描工件從不同的角度進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的捕捉，對(duì)于需要檢測(cè)的特征要素要全方位完整地進(jìn)行掃描，通過更改物體擺放方式或調(diào)整三維激光掃描儀的設(shè)備來完成工件的掃描，直至掃描界面中出現(xiàn)完整的工件模型信息。

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理

掃描完成后的模型需要進(jìn)行去噪處理和輕量化處理，然后將多次掃描的結(jié)果進(jìn)行合并，才能初步得到完整的掃描模型。在檢測(cè)軟件中導(dǎo)入3D掃描模型數(shù)據(jù)與原始CAD設(shè)計(jì)模型，將3D掃描模型與原始CAD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)齊處理。創(chuàng)建偏差顏色圖譜，并測(cè)量尺寸與公差。

2.1 坐標(biāo)對(duì)齊

由于掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)隨機(jī)性，因此就需要坐標(biāo)對(duì)齊。坐標(biāo)對(duì)齊就是將3D掃描模型的坐標(biāo)系和原始CAD設(shè)計(jì)模型的坐標(biāo)系相統(tǒng)一，這兩個(gè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一性越高，則建出模型的偏差就會(huì)越小，得到的模型質(zhì)量相對(duì)越高。坐標(biāo)對(duì)齊的方式有點(diǎn)線面對(duì)齊方式和XYZ對(duì)齊方式。點(diǎn)線面對(duì)齊方式是分別拾取模型3個(gè)不同的特征面作為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型的最佳擬合方式；XYZ對(duì)齊方式是以模型的某一特征點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，再選取兩個(gè)不同的特征面來進(jìn)行模型的最佳擬合。雖然兩種不同的坐標(biāo)對(duì)齊方式都能生成一樣的結(jié)果，但是點(diǎn)線面的坐標(biāo)對(duì)齊方式更適合回轉(zhuǎn)體類的模型。

2.2 比對(duì)評(píng)估

完成坐標(biāo)對(duì)齊后，就要對(duì)模型進(jìn)行比對(duì)評(píng)估，根據(jù)不同的公差帶范圍創(chuàng)建偏差顏色圖譜，并完成模型的尺寸測(cè)量與公差分析。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

空氣進(jìn)口管的坐標(biāo)對(duì)齊采用XYZ對(duì)齊方式，選取空氣進(jìn)口管的一端法蘭中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，再選取另一端法蘭的端面和空氣進(jìn)口管的外表面來進(jìn)行模型最佳擬合，擬合結(jié)果如圖1（a）所示。空氣進(jìn)口管的公差帶范圍為±1 mm，將其偏差顏色設(shè)為綠色，模型的公差帶范圍設(shè)為±5 mm，偏差顏色由紅色到藍(lán)色漸變，偏差模型結(jié)果如圖1（b）所示。

圖1 空氣進(jìn)口管擬合和偏差模型

根據(jù)模型的最佳擬合結(jié)果可以看出，空氣進(jìn)口管的第一段彎管處出現(xiàn)了嚴(yán)重的尺寸偏差，最小偏差為-46.0947 mm，最大偏差為38.3630 mm；空氣進(jìn)口管的平均偏差為4.2957 mm，11.0376%的掃描模型在公差帶±1 mm的范圍內(nèi)，其余部分均超出空氣進(jìn)口管的公差帶范圍。

3.2 尺寸測(cè)量與偏差分析

將空氣進(jìn)口管的公差帶范圍調(diào)整為±0.1 mm，偏差顏色設(shè)為綠色，模型的公差帶范圍調(diào)整為±1 mm，偏差顏色由紅色到藍(lán)色漸變，法蘭1的端面到法蘭2的中心點(diǎn)距離要求尺寸為1500＋1－1mm，實(shí)際檢測(cè)尺寸為1502.5645 mm；法蘭2的相位角要求為22.5°，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為22.8991°；尺寸測(cè)量結(jié)果如圖2（a）所示。在空氣進(jìn)口管上任取部分點(diǎn)進(jìn)行分析，所選取的點(diǎn)集中，最小偏差為-27.4678 mm，最大偏差為7.2802 mm，平均偏差為-13.5909 mm。由圖2（b）可知，空氣進(jìn)口管前半段主要是正偏差，空氣進(jìn)口管后半段主要是負(fù)偏差。

圖2 空氣進(jìn)口管尺寸測(cè)量和偏差分析

法蘭1的中心點(diǎn)到法蘭2端面的Z軸方向距離要求尺寸為86.5＋1－1mm，實(shí)際檢測(cè)尺寸為56.1633 mm；尺寸測(cè)量結(jié)果如圖3（a）所示。在法蘭2上任取部分點(diǎn)進(jìn)行分析，所選取的點(diǎn)集中，最小偏差為-27.7865 mm，最大偏差為17.7621 mm，平均偏差為17.5629 mm。由圖3（b）可知，法蘭2的尺寸偏差導(dǎo)致了法蘭1的中心點(diǎn)到法蘭2端面的Z軸方向距離要求尺寸與實(shí)際檢測(cè)尺寸之間出現(xiàn)了差異。

圖3 法蘭2端面尺寸測(cè)量和偏差分析

法蘭1的相位角要求為10°，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為9.3581°；法蘭1中心點(diǎn)到法蘭2中心點(diǎn)的X軸方向距離要求尺寸為56＋1－1mm，實(shí)際檢測(cè)尺寸為75.7826 mm，尺寸測(cè)量結(jié)果如圖4（a）所示。在法蘭1上任取部分點(diǎn)進(jìn)行分析，所選取的點(diǎn)集中，最小偏差為-1.2162 mm，最大偏差為0.0067 mm，平均偏差為-0.8184 mm；由圖4（b）可知，空氣進(jìn)口管在X軸方向的尺寸偏差，使得法蘭1中心點(diǎn)到法蘭2中心點(diǎn)的X軸方向距離要求尺寸與實(shí)際檢測(cè)尺寸之間出現(xiàn)了差異。

圖4 法蘭1端面尺寸測(cè)量和偏差分析

3.3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

同時(shí)采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和三維激光掃描技術(shù)對(duì)該空氣進(jìn)口管進(jìn)行檢測(cè)，分別得到在不同檢測(cè)方式下的線性尺寸和法蘭相位角結(jié)果，如表1所示。

表1 空氣進(jìn)口管檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表

傳統(tǒng)的劃線式檢測(cè)和工裝比對(duì)接口的模式無法得到精確的測(cè)量值，由于人為因素的影響，所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大；通過三維激光掃描技術(shù)能夠得到精確的檢測(cè)尺寸結(jié)果，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

1）根據(jù)三維激光掃描檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合模型最佳擬合的偏差分析，空氣進(jìn)口管的第一段彎管處和法蘭2的端面出現(xiàn)了嚴(yán)重尺寸偏差。2）空氣進(jìn)口管的三維激光掃描結(jié)果和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)結(jié)果基本吻合，但三維激光掃描的檢測(cè)效率明顯優(yōu)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。3）使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)度短、特征多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管件具有檢測(cè)方便、結(jié)果比對(duì)直觀、可靠的優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)方法相比，提高了管件的檢測(cè)效率。