激光三坐標掃描儀在鍛造行業檢驗工序中的應用

韋維奇

摘 要：通過簡述鍛造行業的特殊性及鍛件尺寸檢測的特殊需求和對激光三坐標掃描儀的產生背景描述，并簡述激光三坐標掃描儀的技術原理和組成結構，同時對激光三坐標掃描儀與傳統鍛件劃線檢測手段的數據收集和對比分析。結果表明使用激光三坐標掃描儀對鍛件尺寸進行檢測時作業步驟數少、檢測數度快、檢測精度高、所需輔助工具少、對人員要求低、數據可靠性高，在總體效率上明顯超越傳統劃線檢驗方式。

關鍵詞：激光三坐標掃描儀；技術原理；組成結構；傳統鍛件劃線；對比；尺寸檢測；

1 引言

鍛造行業屬于特種加工行業，具有產品溫度高、加工難度大、生產節拍快、質量控制效率低、人員勞動強度高等特點，在電子技術和機器人應用突飛猛進的20世紀八十年代以后前三項難點已獲得基本解決，但是質量控制效率低、人員勞動強度高特別是質檢人員勞動強度高的兩大難題并未獲得根本性解決。因此，廣大鍛造行業的科研人員不斷的在尋求新的更高效更快速更高精度的鍛造產品測量（尺寸）技術手段。三維激光掃描技術依靠其所具有的快速性，不接觸性，實時、動態、主動性，高密度、高精度，數字化、自動化等特性，在鍛造行業檢驗工序中迅速獲得了廣泛的應用，創造了巨大的經濟效益。

2激光三坐標掃描技術原理

激光三坐標掃描技術是近年來出現的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，具體可描述為：掃描攝像頭配備雙攝像頭傳感器，能夠在其操作空間內測量反射器。雙攝像頭傳感器還可提供掃描攝像頭的精確定位，同時還能連續采集和傳輸圖像，確保反射器亮起，并管理與計算機之間的交互和傳感器參數存儲。雙攝像頭傳感器的攝像頭在掃描攝像頭上看到相同的定位目標圖案。通過三角測量，軟件能夠確定掃描儀的位置，找到掃描儀在空間中的位置后，通過投射到表面的激光線的觀察完成表面采集。隨著激光掃過表面，設備根據三角測量的定位記錄數據（如圖1所示）。

通過以上手段可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域也有了很多的嘗試、應用和探索。三維激光掃描系統包含數據采集的硬件部分和數據處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。

其中手持型三維激光掃描系統因為其價格低、檢測精度高、便攜性強，在鍛件產品檢測中應用最為廣泛。它可快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型，并且能直觀、準確、快速的輸出檢測數據。顯著提高了工作效率和質量！

3激光三坐標掃描儀組成結構

3.1掃描攝像頭（如圖2所示）----

激光三坐標掃描儀一般配備一組掃描攝像頭，能夠在其操作空間內測量反射器。掃描攝像頭依靠雙攝像頭傳感器的精確定位，同時還能連續采集和傳輸圖像，并管理與計算機之間的交互和傳感器參數存儲。

3.2雙攝像頭傳感器（如圖3所示）----

雙攝像頭傳感器的攝像頭在掃描攝像頭上看到相同的定位目標圖案。通過三角測量，軟件能夠確定掃描儀的位置，找到掃描儀在空間中的位置后，通過投射到表面的激光線的觀察完成表面采集。隨著激光掃過表面，設備根據三角測量的定位記錄數據。

3.3控制器（如圖4所示）----

三坐標掃描儀控制器的主要作用是控制掃描攝像頭和雙攝像頭傳感器之間的配合作業，保證以上兩套相對獨立的設備的協作配合，同時接受計算機的控制，保證數據數據收集作業的正常進行。

3.4計算機----

計算機是三坐標掃描儀專用軟件的載體，負責分析掃描攝像頭和雙攝像頭傳感器傳輸來的數據，同時反向監控掃描攝像頭、雙攝像頭傳感器和控制器，保證數據的運行。

3.5打印機----

打印機是計算機運算數據后的數據主要輸出設備，用于將計算機處理后的數據打印在相關介質（紙張）上，供技術人員查閱和備案。

4激光掃描檢測與傳統鍛件劃線檢測手段的簡介和對比

4.1傳統劃線方式簡述（以曲軸鍛件檢測為例）----

傳統劃線方式步驟和方式較復雜，大致可分為：調平曲軸鍛件→校對中心→計算曲軸鍛件水平方向高度→劃曲軸鍛件橫向中心線→測量鍛打厚度方向直線度→測量平衡塊圓弧面半徑→計算曲軸水平方向高度→測量鍛打水平方向直線度→測量鍛件橫向尺寸→垂直放置曲軸→調垂直→人工計算縱向中心→劃縱向中心線→校對縱向中心→測量縱向尺寸→測量結果的處理等步驟。

從以上描述和圖2-圖9的展示中我們可以發現傳統劃線檢測方試步驟多、工序復雜、執行難度大、對人員要求高、效率低、誤差大、易出錯。

4.2激光掃描檢測方式簡述（以曲軸鍛件檢測為例）----

將曲軸鍛件擺放于雙攝像頭傳感器的攝像頭能發現定位標點個數最多的位置（一般要求不高）→啟動計算機專用軟件調整參數→粘貼定位標點粘貼紙開始掃描→掃描完成后計算機專用軟件系統處理數據并在計算機屏幕上顯示鍛件模擬圖像→計算機按照事先編輯好的數據（表格）顯示數據→操作打印機打印數據。

從以上描述和圖13 - 圖17的展示中我們可以發現激光掃描檢測方式步驟少、工序簡單、執行難度小、對人員要求低、效率高、誤差小，不易出錯。

以下是兩種鍛件尺寸檢測方式的細節對比：

5優劣判定和總結

通過上表中數據的對比我們可以發現使用激光三坐標掃描儀對鍛件尺寸進行檢測時作業步驟數少、檢測數度快、檢測精度高、所需輔助工具少、對人員要求低、數據可靠性高，在總體效率上明顯超越傳統劃線檢驗方式，但是激光三坐標掃描儀又存在著造價高、結構相對復雜、保養要求高等不足，一般的中小企業難以大規模普及應用的不足。

當前中國精密鍛造行業經過了數十年的發展其技術水平越來越高，其自動化水平和質量水平直接決定了企業的競爭能力。因此，企業對檢驗手段的快速性、高效性、準確性的要求也就越來越高，以求在激烈的市場競爭環境中奪得主動。

尋求和裝備快速、高效、準確的檢驗設備已成為大型鍛造企業發展的必經途徑，而傳統劃線檢測手段因為檢測方式落后低效等因素必然要將檢驗的主體地位讓位于類似激光三坐標掃描儀等類型的高科技檢驗裝備。

參考文獻：

[1] 毛方儒，王磊.三維激光掃描測量技術[J]，宇航計測技術： 2005.25（2）

[2] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析 [J]，測繪工程： 2005，14（2）：32-34.

[3] 許智欽，便攜式彩色三維激光掃描系統的研究： [D].天津：天津大學， 2002.2.