三維激光掃描技術在立體織物檢測中的應用

楊春玉，婁紅莉

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012）

0 前言

立體織物作為復合材料的增強體，具有質量輕、強度高、耐燒蝕等特點，廣泛應用于航空、航天領域，近年來隨著其技術的迅猛發展，對復合材料也提出了更高的要求，作為增強體的立體織物也向大尺寸、復雜形面一體化成型發展，且要求近凈尺寸仿形成型。本文將三維激光掃描技術應用于立體織物厚度、形面的檢測，通過對在同一坐標系下立體織物實物、三維圖、模具進行掃描，實現了任意位置任意點的數據采集，并進行多方式的云圖匹配擬合數據分析，獲得所需檢測結果。

三維激光掃描技術是近幾年來發展起來的一種新的激光測量技術，它是一種先進的全自動、非接觸式、高精度的立體式掃描技術，也稱作實景復制技術。是從復雜實體或實景中重建目標的全景三維數據及模型，主要是獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數據［1］。目前主要應用于工程領域的復雜工業設備測量、地質應用、變形監測；文物保護領域；空間信息技術領域及制造領域等［2，3］。

1 三維激光掃描原理及設備

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術的原理是通過激光測量距離，利用高速激光掃描的檢測方法，快速、高效的采集空間點位數據信息，高分辨率獲取被測對象的三維坐標［4，5］。

1.2 設備介紹

本論文采用的設備為 NDI 三維激光掃描設備。設備包含硬件和軟件，其中硬件設備有光學跟蹤器、標定桿、多向探針、ScanTRAK 激光掃描器等；軟件選用的是 Geomagic 數據處理軟件，用于分析掃描數據結果。

2 立體織物檢測應用

采用 NDI 三維激光掃描設備，檢測復雜形面立體織物的形面及錐形織物的尺寸，通過 Geomagic Control X 軟件分析檢測數據，準確反映立體織物外形面及厚度偏差。

2.1 立體織物尺寸檢測

用于錐形織物尺寸的檢測，包括其長、寬、厚等尺寸，由于此錐形織物厚度尺寸為不等厚，也是此織物的關鍵參數，所以對此織物厚度進行檢測試驗。

2.1.1 掃描厚度檢測法

應用三維激光掃描檢測法對不等厚錐形立體織物的厚度進行檢測。由于錐形立體織物的結構特征，三維激光掃描器接收信號受限，織物內壁無法采集到坐標數據，所以采用間接掃描方式進行數據采集，即先后采集織物編織模具與織物外形面數據，再進行數據擬合分析。

2.1.2 擬合數據分析

將模具與織物掃描采集的數據進行對齊、擬合處理，進行3D比較。構造基準平面，截取要求測量點高度，在與平面相交形成的圓周上均勻分布厚度測量點位置，提取厚度測量數據，厚度檢測圖如圖1所示。

圖1 厚度檢測圖

在對應的檢測位置，采用傳統測量法得出的厚度值與掃描檢測得的厚度值進行對比，如表1所示。

表1 厚度檢測數據對比表

依據表1可知，由于傳統帶壓力接觸式測量，壓力不能穩定控制，導致了同一位置的測量數據穩定性差，而激光掃描數據不存在變動；從自身測量精度來看，傳統檢測精度低于掃描檢測精度。由此可見，在厚度檢測中三維激光掃描檢測優于傳統檢測。

2.2 立體織物形面檢測

2.2.1 復雜形面掃描

掃描對象是具有復雜形面特征的立體織物，仿形范圍要求±0.5 mm。由于形面復雜，傳統方法已不可檢。

首先標定設備及驗證掃描精度，保證檢測數據的可信度。用手持激光掃描器完成織物整體形面的掃描，形成三維點云數據。所謂點云數據是指通過三維數字化掃描儀或其他測量系統對實體表面進行三維掃描測量，得到三維數據，并將這些離散數據稱為“點云”［6-10］。將三維點云數據合并處理成面片數據，如圖2所示。

圖2 織物面片數據圖

2.2.2 數據分析

導入立體織物的理論數模，將面片數據與理論數模進行對齊、初始擬合、最佳擬合等數據處理。通過3D比較分析，形成與織物理論數模對比色塊云圖。

在色塊云圖中，右側的顏色差表示立體織物檢測面片數據與理論數模的偏差范圍，不同的顏色區域，代表不同程度的尺寸偏差，如圖3所示。

圖3 3D比較色塊云圖

從云圖顏色可識別此被測織物整體存在傾斜，織物一側形面翹曲，另一側形面塌陷，整體形面符合率為45%，未能達到形面設計要求。具體仿形程度從提取不符合處的偏差值獲得。

按織物形面檢測要求，提取不同區域位置測試點的偏差值進行分析，測試點的偏差值是指被測織物形面與理論數模的形面距離差。如表2所示。

表2 不同位置測試點偏差值（偏差范圍±0.5mm）

表2中曲面點2、4是對應織物塌陷區域的偏差值，對比形面設計范圍平均超差-0.46 mm；曲面點5、6是對應織物翹曲區域偏差值，對比形面設計范圍平均超差0.92 mm；曲面點1、3是符合形面要求的偏差值，平均偏差0.13 mm。由偏差值分析，可反饋被測織物形面仿形程度具體數值，為工藝改進提供精確的參照數據。

通過檢測結果驗證，三維激光掃描檢測法可適用于復雜形面立體織物仿形程度的檢測。

3 結論

（1）三維激光掃描技術無接觸檢測解決了復雜形面類立體織物在帶壓力傳統檢測方式下無法完成的高精度仿形程度的測量。

（2）三維激光掃描技術無接觸檢測適用于立體織物厚度的測量，且對比傳統檢測法具有較高的檢測精度。

（3）通過數據分析得出的色塊云圖可準確、清晰、直觀地表征立體織物與理論數模形面仿形程度比例。

（4）通過色塊云圖獲取偏差數值，可具體說明立體織物與理論數模形面局部區域仿形程度的偏差值。

（5）檢測結果可反饋指導工藝的改進與提升，對立體織物的檢測具有重大意義。