手持式三維激光掃描儀在工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

李 毅，徐 超，廖開星，趙洪瑤

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

工業(yè)測(cè)量以工業(yè)產(chǎn)品或其零部件的幾何量為測(cè)量對(duì)象，采用多種測(cè)量理論、方法和設(shè)備進(jìn)行精密三維空間測(cè)量，主要為工業(yè)產(chǎn)品的制造、安裝、質(zhì)量檢測(cè)及仿真建模等服務(wù)[1]。三維激光掃描是近十幾年來迅速發(fā)展的一種新的測(cè)量技術(shù)，是繼GPS之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，被廣泛應(yīng)用于土木[2]、建筑[3]、文物保護(hù)[4- 5]等領(lǐng)域。同樣，在工業(yè)測(cè)量方面，三維激光掃描技術(shù)有著傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，可應(yīng)用于高效的復(fù)雜工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)[6]。它通過非接觸式的三維激光掃描得到復(fù)雜工業(yè)構(gòu)件的表面點(diǎn)云模型，然后利用逆向工程進(jìn)行三維建模得到構(gòu)件的三維表面模型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)構(gòu)件實(shí)物的數(shù)字化，在數(shù)字化的模型上再進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量檢測(cè)。如對(duì)數(shù)字化的工業(yè)構(gòu)件表面圓孔的空間位置和直徑進(jìn)行分析，可檢驗(yàn)工業(yè)構(gòu)件的加工精度，也可為其進(jìn)一步組合安裝提供指導(dǎo)[7]。手持式三維激光掃描儀作為一種便攜式的三維激光掃描儀，通過手持移動(dòng)掃描來獲取工業(yè)構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其自定位功能能夠在掃描過程中對(duì)被掃描對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)，大大提高了測(cè)量工作的效率[8]。手持式掃描儀測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，非常適合對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)構(gòu)件進(jìn)行三維建模，在工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景[9- 10]。

1 手持式三維激光掃描儀工業(yè)構(gòu)件檢測(cè)方法

利用手持式三維激光掃描儀檢測(cè)工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量主要分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理3個(gè)步驟。

1.1 前期準(zhǔn)備

手持式三維激光掃描儀的測(cè)量誤差主要是由儀器、掃描目標(biāo)及環(huán)境引起的誤差[11]。儀器的影響主要包括掃描儀內(nèi)部的CCD接收器、光學(xué)部件及發(fā)射的激光強(qiáng)度與激光光斑形狀的影響。掃描目標(biāo)的影響主要為掃描目標(biāo)的顏色、表面粗糙程度及相對(duì)于掃描儀傾斜程度等。環(huán)境的影響則包括掃描儀工作時(shí)周圍環(huán)境的溫度、濕度、氣壓等因素。因此，為保證測(cè)量精度，需進(jìn)行一些前期準(zhǔn)備工作。

1.1.1 掃描環(huán)境的建立

由于溫度、濕度、氣壓等會(huì)影響激光的形狀及傳播路徑，造成接收器接收到信號(hào)的變化，使得掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。因此在對(duì)工業(yè)構(gòu)件進(jìn)行三維掃描之前須構(gòu)建穩(wěn)定的掃描環(huán)境，如恒定的溫度、濕度，并避免強(qiáng)光和逆光對(duì)射等，保證三維掃描結(jié)果不受外部環(huán)境因素的影響。

1.1.2 激光掃描儀校準(zhǔn)

對(duì)手持式三維激光掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)是數(shù)據(jù)采集前的一項(xiàng)重要工作，掃描儀需要知道自身在什么環(huán)境下進(jìn)行掃描，才能掃描出準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)方法一般按照設(shè)備制造商的說明嚴(yán)格進(jìn)行，仔細(xì)校正不準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)后，可通過掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測(cè)量物體來檢查比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)掃描儀的精度無法實(shí)現(xiàn)，需要重新校準(zhǔn)掃描儀。

1.1.3 掃描目標(biāo)表面處理

有些工業(yè)構(gòu)件表面對(duì)激光反射較強(qiáng)，抑或顏色較暗，使得直接掃描比較困難，此時(shí)需要對(duì)構(gòu)件著色，增強(qiáng)構(gòu)件表面的漫反射，便于掃描儀更好地掃描出目標(biāo)的三維特征。著色劑的噴施需要均勻，不可太薄或太厚，太薄會(huì)影響最終點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整程度，太厚不僅會(huì)覆蓋掉一些細(xì)節(jié)特征，還會(huì)增大構(gòu)件的外形。

手持式三維激光掃描儀一般具有自定位功能，無需其他外部跟蹤裝置即可自動(dòng)拼接完成掃描工作，而這主要通過在工業(yè)構(gòu)件表面粘貼定位靶標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于常規(guī)尺寸的工業(yè)構(gòu)件，可在各個(gè)面上直接粘貼定位靶標(biāo)，以滿足掃描儀完成全方位掃描的要求。若工業(yè)構(gòu)件不能貼足夠的定位靶標(biāo)，則需要增加輔助板面來完成掃描工作，即在輔助板面上按照規(guī)則均勻貼滿定位靶標(biāo)再通過手持式三維激光掃描儀對(duì)構(gòu)件進(jìn)行全方位的掃描。

1.2 數(shù)據(jù)采集

前期準(zhǔn)備工作完成之后即可對(duì)工業(yè)構(gòu)件進(jìn)行掃描。利用手持式三維激光掃描儀對(duì)構(gòu)件從不同的角度進(jìn)行三維數(shù)據(jù)捕捉或更改構(gòu)件的擺放方式對(duì)其進(jìn)行全方位的掃描。為確保掃描儀達(dá)到最佳的掃描狀態(tài)，一般掃描儀的激光發(fā)射器應(yīng)與工業(yè)構(gòu)件表面保持大致恒定的距離。掃描時(shí)一般從曲率變化較小的面開始，當(dāng)一個(gè)面掃描完成轉(zhuǎn)至相鄰面時(shí)，為便于掃描儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，必須在掃描范圍之內(nèi)保證一定數(shù)量的定位靶標(biāo)。完成整個(gè)構(gòu)件大部分的數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，即可開始對(duì)細(xì)節(jié)處進(jìn)行掃描，為達(dá)到較好的掃描效果，對(duì)構(gòu)件細(xì)節(jié)部分一般需進(jìn)行多角度和長時(shí)間的掃描。

1.3 數(shù)據(jù)處理

掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要首先經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，才能在其基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)。

1.3.1 點(diǎn)云處理

目前主流的手持式三維激光掃描儀均能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)云的自動(dòng)拼接，無需后期手動(dòng)拼接，即對(duì)構(gòu)件表面掃描完成之后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成構(gòu)件的三維點(diǎn)云圖形。但為了得到完整的、高質(zhì)量的、可用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、去噪、平滑、精簡(jiǎn)及上色等操作。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成之后，為了與通用的三維軟件進(jìn)行對(duì)接，有時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化操作。

1.3.2 幾何質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)于工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)，由于工業(yè)構(gòu)件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度要求及檢測(cè)設(shè)備等不同，具有不同的形位誤差檢測(cè)原則。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般采用理想要素比較原則和比較特征參數(shù)原則，即將點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)的理想模型的特征點(diǎn)相比較來評(píng)定誤差[12]。為獲取點(diǎn)云模型的特征數(shù)據(jù)，需要根據(jù)工業(yè)構(gòu)件的特點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合[13]。曲面方程的參數(shù)描述了曲面的性質(zhì)，可以假設(shè)曲面的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)方程為

f(x,y,z,t)=0

(1)

式中，t=(t1,t2,…,tm)為曲面參數(shù)。若掃描得到了該曲面上離散數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi,zi)，i=1,2,…,n,由于掃描點(diǎn)存在觀測(cè)誤差，可以根據(jù)最小二乘原理，通過使誤差的平方和最小得到曲面參數(shù)。對(duì)于工業(yè)構(gòu)件來說，常用的擬合曲面包括平面、球面及圓柱面等[14]，相應(yīng)的曲面方程如下

ax+by+cz+1=0

(2)

(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=r2

(3)

x2+y2+z2=R2+z2

(4)

擬合得到所選曲面的曲面參數(shù)后，即可展開相關(guān)特征參數(shù)如孔徑等的檢測(cè)。若需要與設(shè)計(jì)理想模型的空間位置進(jìn)行對(duì)比，則還需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[15]，即通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放將測(cè)量坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)模型的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，這主要通過選擇兩個(gè)坐標(biāo)系下的公共特征點(diǎn)來求取轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2 案例分析

本次測(cè)量采用的是Creaform公司的HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀。如圖1所示，該掃描儀主要應(yīng)用于工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)及要求比較嚴(yán)格的逆向工程中。主要性能指標(biāo)見表1。

主要參數(shù)掃描范圍275mm×250mm測(cè)量速率480000次測(cè)量/s分辨率0.05mm精度高達(dá)0.03mm基準(zhǔn)距300mm部件尺寸范圍(建議)0.1～4.0m重量0.85kg尺寸122mm×77mm×294mm操作溫度0～40°操作濕度10%～90%非冷凝

在利用HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃描之前，構(gòu)建了穩(wěn)定的工作平臺(tái)，在平整的桌面上隨機(jī)粘貼上專用的圓形定位靶標(biāo)，如圖2(a)所示，同時(shí)為待測(cè)工件貼上定位靶標(biāo)，如圖2(b)所示，在工件表面粘貼圓形靶標(biāo)時(shí)盡量保證其不在一條直線上。所粘貼的定位靶標(biāo)主要用來輔助掃描儀自動(dòng)拼接生成三維模型。

準(zhǔn)備工作完成之后，利用HandSCAN 700自帶的VXelements軟件輔助數(shù)據(jù)采集進(jìn)行實(shí)時(shí)三維建模。在軟件中首先對(duì)手持激光掃描儀的相關(guān)參數(shù)(如快門、解析度等)進(jìn)行調(diào)整，初步掃描采用多線模式，通過軟件實(shí)時(shí)查看掃描的工件結(jié)果，對(duì)圓孔內(nèi)表面等細(xì)節(jié)則盡可能地采集更多的點(diǎn)，如仍有部分位置孔洞較大，可換用單線激光模式補(bǔ)充測(cè)量。最終掃描得到的工件的三維模型如圖3所示。

此次主要檢測(cè)該工件表面圓孔的直徑及空間位置，通過掃描得到工件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)處理軟件Polyworks中進(jìn)行相關(guān)特征的創(chuàng)建及數(shù)據(jù)測(cè)量工作。在Polyworks中為生成的工件模型創(chuàng)建3個(gè)相鄰的平面特征建立坐標(biāo)系，對(duì)于工件表面的圓孔特征數(shù)據(jù)通過其內(nèi)表面點(diǎn)進(jìn)行圓柱擬合創(chuàng)建圓柱特征，從而可以得到圓孔的直徑信息。對(duì)于圓孔的空間位置，選擇各圓孔所在工件平面上的點(diǎn)擬合平面特征，然后由擬合的圓柱的中軸線跟平面相交得到該圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)。該工件表面各圓孔對(duì)應(yīng)的圓柱特征命名如圖4所示，得到對(duì)應(yīng)的表面圓孔特征測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

為了檢驗(yàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到的圓孔直徑的精度，利用千分尺(精度為0.01 mm)對(duì)工件表面各圓孔的直徑進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果見表2，x、y、z為各圓柱對(duì)應(yīng)圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)。通過對(duì)比，點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到的各圓孔的直徑與千分尺測(cè)量得到的直徑之差均保持在0.02 mm以內(nèi)，驗(yàn)證了利用HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀獲取工件的特征數(shù)據(jù)的精度。同時(shí)，若有該工件的設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)，則可通過公共點(diǎn)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到各圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，對(duì)工件的空間位置等信息進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)。

表2 工件表面圓孔特征數(shù)據(jù) mm

3 結(jié) 語

工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于我國制造業(yè)的發(fā)展有著重要意義，手持式三維激光掃描儀突破了對(duì)使用空間和環(huán)境的制約，能夠提高工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的精度和效率并降低成本。本文提出了利用手持式三維激光掃描儀進(jìn)行工件質(zhì)量檢測(cè)的方法，并以實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的有效性，為復(fù)雜、異形、精度要求較高的工業(yè)構(gòu)件低成本連續(xù)檢測(cè)提供了一種有效的解決途徑。