三維掃描技術在封頭變形檢測中的應用

張文博

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090)

0 概 述

沒有測量就沒有科研，就沒有現代工業的發展。三維掃描技術是時代發展的產物，三維掃描技術是繼GPS技術以來在測繪領域的又一次技術革命[1]。

在壓力容器制造過程中，許多部件經焊接或熱處理后，較容易發生變形。變形的部件將影響后續工序的裝配。因此，檢測部件的變形量，并預測較大的變形將發生在某個環節，從而才能采取相應的措施減小變形。現以某型加熱器的封頭為檢測對象，采用非接觸三維掃描技術，獲取被測物表面密集的點云數據，真實描述了被掃描對象的整體結構及形態特征。

1 常規檢測法與三維掃描技術

常規測量封頭變形的方法，是使用封頭樣板進行測量，將封頭樣板放置在封頭曲面的不同位置，通過測量封頭與樣板之間的間隙，得出不同狀態下該處封頭的變形量。該測量方法的隨機性較大，測量點的數量有限，無法完整測得封頭的外形尺寸，難以精確得到任意點的變化量，更無法對數據進行判斷和比較。利用三維掃描技術，有效地避免了基于點數據進行分析造成的局部性和片面性[2]，可對不同狀態下的三維模型進行擬合對比，通過偏差色譜圖判別出變形位置的變化量，因此，將三維掃描技術引入變形檢測領域，具有現實意義。

2 三維測量技術及設備

隨著測量精度要求被不斷地提高，從單獨測量物件的外形尺寸，到測量復雜零件的空間三維尺寸，測量工具也隨之更新換代。三維測量技術是對被測物進行全方位測量，確定被測物的三維坐標，從而得到被測物的數據。現利用自定位手持式3D激光掃描儀，展開測量封頭方面的研究。3D激光掃描儀無需借助外部的定位系統，只需在被測物表面黏貼定位標點，形成一系列連續三角形，由掃描儀發出7 束交叉的激光線，投射在被測物的表面，經反射后，掃描儀接受采集到的數據，通過三角測量法，實時確定掃描儀與被測物的相對位置，并可在V-Xelements軟件中實時顯示掃描后生成的圖像。將掃描生成的模型導入Geomagic Control軟件中，進行數據處理和分析，得出各項平面尺寸、空間尺寸及形位公差。同時可將掃描生成的模型與標準三維模型擬合，得出偏差色譜圖，尺寸偏差趨勢及數據在屏幕上清晰可見。操作該設備時，較為便捷靈活，且測量精度高。3D激光掃描儀的外形，如圖1所示。

圖1 三維掃描儀的外形

三維掃描技術是一項集合了測量、儀器光電、圖像處理等功能的綜合性技術，是獲取大量空間數據的有效手段。因此，三維掃描技術已被廣泛應用于建筑、設備制造、橋梁等各行業，也被用于逆向工程的重構模型，以及為應急服務、災害監測提供判斷依據[3]。在變形監測領域，常采用臺式激光掃描儀，對不同時段的橋梁、路面、堆體的變化進行檢測和分析。對于自定位手持式激光掃描儀在變形檢測方面的應用，相關的研究結果較少。

3 測量封頭的變形量

封頭是由模具熱壓成形，為半球形狀。經劃線后，在封頭上氣割4個孔，再將封頭置于變位器上，對封頭內表面進行帶極堆焊，然后對整個封頭進行消除應力熱處理。封頭經過焊接及熱處理后將發生變形，但變形位置及變形量無法直觀地觀察到，需在各過程中分別進行測量，從而獲取變形量數據。在封頭堆焊及熱處理過程中，需對2次堆焊前、最后堆焊完成及熱處理后的各個階段，分別進行4次三維掃描，并將掃描數據進行4次擬合對比。測量封頭變形量的流程，如圖2所示。

圖2 測量封頭變形量的流程

3.1 第一次測量

將封頭壓制成型并氣割開孔后，讓封頭的球面朝上，對封頭的外表面進行三維掃描。然后將封頭開口朝上，再對封頭的內表面進行三維掃描。將2次掃描所得的表面數據導入Geomagic Control軟件，對齊封頭的特征點，再拼接合成封頭的三維模型，該初始模型可作為后續擬合對比時的基準。

3.2 第二次測量

對封頭內表面進行堆焊，堆焊層的厚度約3 mm，封頭中心未堆焊區的直徑約250 mm，距離4個開孔處邊緣30～60 mm區域內未堆焊，封頭距離端面50～80 mm處未堆焊。在此狀態下，對封頭的內外表面分別進行掃描，再合成封頭的三維模型，將測量結果與第一次掃描的初始模型進行擬合對比，利用軟件的計算功能，形成3D偏差色譜圖，即可評價堆焊后封頭的變形情況。

3.3 第三次測量

再次進行封頭堆焊，同時手工堆焊封頭的中心區，堆焊層的厚度約6 mm，4個開孔邊緣30～60 mm區域未堆焊，封頭距離端面50～80mm處未堆焊。在此狀態下，再對封頭的內外表面分別進行掃描，待合成為三維模型后，將測量結果與初始模型進行擬合對比，通過形成的3D偏差色譜圖，評價再次堆焊后封頭的變形情況。

3.4 第四次測量

經過2次堆焊后，對封頭進行焊后熱處理(熱處理溫度600～640℃，保溫1h)。熱處理后，對封頭內外表面進行第四次掃描，將測量結果分別與第三次掃描模型及第一次掃描的初始模型進行擬合對比，通過形成的3D偏差色譜圖，評價整體熱處理后封頭的變形情況。

4 三維掃描數據測量

4次三維掃描的步驟相同，但掃描數據的采集，是后續數據分析處理的關鍵。掃描時，主要的操作過程為實物準備、掃描定位標點、掃描表面及擬合對比。三維掃描封頭的測量流程，如圖3所示。

圖3 三維掃描的測量流程

4.1 實物準備

三維掃描前，需清理封頭的內外表面，避免有異物產生的無效特征點。在封頭表面黏貼定位標點，標點的間距為20～100 mm，在開孔邊緣及封頭底部等拐角區域，需黏貼較多的定位標點。黏貼的定位標點呈三角排列，若整齊地排列成直線，將會影響該處的特征顯示。黏貼內表面定位標點的封頭，如圖4所示。

圖4 內表面貼定位標點圖

4.2 掃描定位標點

啟動三維掃描儀，建立三維坐標，對封頭表面的定位標點進行掃描。采集到封頭表面定位標點處的點云數據，將在計算機中形成具有定位標點的圖形，可為后續掃描提供定位依據。若發現某些定位標點無效，也可單獨刪除，以免影響后續數據的處理。

4.3 掃描表面

選擇網格掃描模式，對封頭表面進行整體掃描，將每個平面、轉角等幾何形狀掃入系統，尤其需仔細掃描開孔的邊緣處。通過掃描，最終生成封頭模型。在掃描過程中，保持三維掃描儀與封頭之間的距離，約為30 cm。從封頭頂端開始掃描，從上至下，再單向繞行封頭一周。對封頭進行全面掃描時，應有10 cm重疊的掃描區域。對于開孔區域，需將掃描儀傾斜某角度，確保掃描激光能照射到所測的部位。三維掃描時的實況，如圖5所示。

圖5 三維掃描時的實況

4.4 擬合對比

根據四次對比的要求，分別將基準模型和需對比的模型導入Geomagic Control軟件，選擇封頭上的4個開孔圓，創建4個特征面作為擬合特征，然后對齊模型特征，再設置偏差值的范圍，經計算，即可獲取3D偏差色譜圖。從3D圖的顏色分布，可直觀地獲取變形位置、變化趨勢及變形偏差值等信息。

5 封頭的變形量

5.1 堆焊前的封頭尺寸

將封頭堆焊前的第一次掃描數據，導入Geomagic Control軟件中，構建4個孔的表面和封頭端面，并標注4個孔的空間角度尺寸。標注后的封頭圖形，如圖6所示。

圖6 第一次掃描后的三維模型

三維掃描解決了空間角度的測量問題，通過掃描測量的結果，可看出4個接管孔的空間角度符合圖紙要求。實測的封頭尺寸，如表1所示。

表1堆焊前封頭的尺寸

尺寸代號名義尺寸實測值190°89.71°280°80.58°3105°105.05°485°84.66°645°45.87°745°45.47°848°47.32°950°50.04°

5.2 堆焊后封頭的尺寸

將第二次掃描模型與第一次掃描模型進行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖7所示。

圖7 第二次掃描與第一次掃描模型對比圖(淺色為外凸，深色為內凹)

從圖7可知，內壁堆焊后，封頭中心及端面、邊緣的未堆焊區域，基本無變形。在4個開孔處的下部邊緣，發生了變形，小孔口的平均變形量，約內凹2.6 mm，最大變形量為內凹3.12 mm。大孔口的平均變形量，約內凹2.2 mm，最大變形量為內凹2.36 mm。其它位置的變形量，小于2.0 mm。

5.3 再次堆焊后封頭的尺寸

將第三次掃描模型與第一次掃描模型進行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖8所示。

圖8 第三次掃描與第一次掃描模型對比圖

從圖8可知，手工堆焊封頭中心的內壁后，平均變形量約為外凸2 mm，最大變形量為外凸2.54 mm。4個開孔處的下部邊緣發生了變形，在孔的上部略有變形，小孔口的平均變形量約為內凹4.8 mm，最大變形量為內凹5.33 mm。大孔口的平均變形量，約為內凹4.3mm，最大變形量為內凹4.53 mm。相比前一次堆焊后的封頭尺寸，再次堆焊后，開孔處的變形量增加，變形量約為2～3 mm，其它位置的變形量基本不變。

5.4 熱處理后的封頭尺寸

將第四次掃描模型與第三次掃描模型進行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖9所示。

從圖9可知，封頭經熱處理后，各位置的變形量，小于0.5 mm，最大變形量為外凸0.47 mm， 位于小孔及大孔的下部區域。由此可知，熱處理對封頭變形的影響不大。

圖9 第四次掃描與第三次掃描模型對比圖

將第四次掃描模型與第一次掃描模型進行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖10所示。

圖10 第四次掃描與第一次掃描模型對比圖

從圖10可知，經堆焊、熱處理后封頭最終的變形量。在封頭中心區域的平均變形量，約為外凸1.5～2.3 mm，在中心變形區域的四周，變形量約為1 mm。在4個開孔處的下部邊緣發生了變形，在孔的上部略有變形，小孔邊緣處最大變形量，為內凹6.11 mm，平均變形量約為內凹4.9 mm。大孔邊緣處最大變形量，為內凹5.43 mm，平均變形量約為內凹4.8 mm。在封頭端面上部的未堆焊區域，變形量小于1 mm。

6 結 語

使用手持式三維掃描儀，通過對封頭的點掃描和表面掃描，構建了完整的三維模型。利用數據分析軟件，經多次擬合對比，形成了直觀的偏差色譜圖，快速高效地獲取了封頭的變形數據。相比傳統測量變形量的方法，是測量技術上的進步。三維掃描可為改進封頭的加工工藝，更好地控制封頭變形量，提供直觀的測量數據。