基于三維激光掃描技術(shù)的起重機(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)研究

王文征，郭峰，陳莉媛，溫喆，鄭浩，冀剛

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院邢臺(tái)分院，河北 邢臺(tái) 054000）

起重機(jī)作為特種設(shè)備在工業(yè)體系中占據(jù)著非常重要的地位，它的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，與此同時(shí)也帶來了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前起重機(jī)的檢驗(yàn)檢測(cè)主要是以金屬結(jié)構(gòu)件、主要零部件、安全保護(hù)裝置和防護(hù)裝置的檢查為主，金屬結(jié)構(gòu)件作為起重機(jī)的整體框架，是最難以測(cè)量的，其涉及主要外形幾何尺寸包括跨度、小車軌距、起升高度、懸臂長(zhǎng)度、拱度、旁彎、基距偏差、對(duì)角線偏差、腹板垂直偏斜值、主梁腹板局部翹曲、懸臂翹度等。長(zhǎng)時(shí)間使用的起重機(jī)在各種應(yīng)力的作用下會(huì)出現(xiàn)一定的形變，當(dāng)形變量超過其設(shè)計(jì)值或者標(biāo)準(zhǔn)（例如《GB/T 14405-2011》、《GB/T 14406-2011》）、安全技術(shù)規(guī)范（TSG Q7016-2016）的要求值時(shí)，起重機(jī)的運(yùn)行會(huì)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，安全系數(shù)成倍的降低，因此監(jiān)測(cè)其形變量在一定程度上可以提高其運(yùn)行安全性。傳統(tǒng)的起重機(jī)幾何尺寸檢驗(yàn)檢測(cè)方法通常使用尺子、激光測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等量具儀器，局限性較多，有些數(shù)據(jù)不方便進(jìn)行測(cè)量，有些數(shù)據(jù)耗費(fèi)時(shí)間人力物力較多，精度較低，容易引起誤差，并且無法進(jìn)行長(zhǎng)期保存，檢驗(yàn)檢測(cè)人員的安全性也得不到保障。而三維激光測(cè)量技術(shù)則具有測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量方式簡(jiǎn)易一次測(cè)量可以得到較多數(shù)據(jù)，易于長(zhǎng)期保存進(jìn)行后續(xù)變形數(shù)據(jù)追蹤等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)具有快速性、效益高、不接觸性、穿透性、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為后續(xù)的專業(yè)數(shù)據(jù)處理分析提供了強(qiáng)有力的保障。

1 三維激光掃描儀

1.1 三維掃描儀原理

三維激光掃描技術(shù)是通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率的快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)與掃描儀中心的距離，經(jīng)其內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)算以掃描儀中心點(diǎn)為坐標(biāo)0點(diǎn)，便可得出物體表面每一點(diǎn)的坐標(biāo)（X,Y,Z）值，由這些大量的、密集的坐標(biāo)信息可快速?gòu)?fù)建出1:1的真彩色三維點(diǎn)云模型。

1.2 三維激光掃描儀基本構(gòu)造

本次研究試驗(yàn)采用的設(shè)備為FARO激光掃描儀，它是一款高速三維激光掃描儀，適用于詳細(xì)的測(cè)量和文件記錄。其能夠在幾分鐘內(nèi)為復(fù)雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細(xì)節(jié)豐富的三維圖像。其主要組成部分為激光發(fā)射器、激光接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器和鑒相器、可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、電路板、微電腦和軟件等。激光發(fā)射器和接收器是三維激光掃描的核心，對(duì)掃描的功能是否強(qiáng)大起到?jīng)Q定性的作用。時(shí)間計(jì)數(shù)器和鑒相器影響點(diǎn)云的最高精度，不同類型的掃描儀受到影響的程度也不盡相同。高分辨綠的相機(jī)在掃描之后并對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，內(nèi)置電腦可將彩色相片的像素映射在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，從而生成彩色的點(diǎn)云三維圖。FARO激光掃描儀所研發(fā)的SCENE軟件是其點(diǎn)云預(yù)處理軟件，其處理好的點(diǎn)云還可導(dǎo)入其他軟件進(jìn)行二次開發(fā)與研究。

2 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

2.1 概況

本次掃描對(duì)象選擇的是某貨場(chǎng)額定載荷50T的通用門式起重機(jī)，通用門式起重機(jī)一般位于室外，并且其使用環(huán)境多數(shù)比較復(fù)雜，跨中雜物多，傳統(tǒng)測(cè)量手段很難完整的獲取其全部幾何尺寸。因此采用FARO三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行快速掃描建模，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供技術(shù)支撐。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集流程

激光掃描儀在掃描前需要對(duì)掃描的物體進(jìn)行勘察，根據(jù)被測(cè)物體特性合理規(guī)劃掃描站點(diǎn)的位置，并根據(jù)需求放置靶球。然后架設(shè)儀器，設(shè)置參數(shù)繼進(jìn)行掃描。影響掃描時(shí)間和掃描模型點(diǎn)云圖質(zhì)量的主要參數(shù)是掃描分辨率和質(zhì)量。分辨率指的是最終的掃描分辨率。可以在 1/1、1/2、1/4、1/5、1/8、1/10、1/16、1/20和1/32之間進(jìn)行選擇。想要掃描效果越好，就要選擇較大分辨率，但是相對(duì)掃描時(shí)間就會(huì)增加。質(zhì)量會(huì)影響采用固定掃描分辨率時(shí)的掃描質(zhì)量及掃描時(shí)間。需要平衡質(zhì)量和速度的需求，如更注重速度需求，則選擇較低分辨率，如更注重掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，選擇較高分辨率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察確認(rèn)，本次一共掃描9站，掃描過程中儀器與靶球之間，儀器與掃描物體之間盡量避免各種遮擋，儀器架設(shè)處不能有震動(dòng)干擾。同時(shí)鏡面反射的物體無法掃描完全時(shí)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)里呈現(xiàn)黑色，即數(shù)據(jù)缺失，因此單站點(diǎn)掃描完成后的預(yù)覽圖主要時(shí)確認(rèn)靶球是否都掃描到，若有遺漏則需重新掃描。確認(rèn)數(shù)據(jù)完整后可進(jìn)行下一站的掃描，直至全部站點(diǎn)掃描完畢。因設(shè)備位置遮擋原因，在不容易擬合的位置掃描分辨率選擇大一點(diǎn)，本次第一站選擇分辨率為1/5，質(zhì)量選擇4x，持續(xù)掃描時(shí)間為5分11秒，其他站分辨率選擇1/8，質(zhì)量均選擇4x，每站持續(xù)掃描時(shí)間為2分24秒，合計(jì)掃描時(shí)間共24分23秒。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描儀獲得起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要采用SCENCE軟件進(jìn)行處理。首先將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接簡(jiǎn)化，在滿足測(cè)量精度要求的前提下，選取各個(gè)掃描站點(diǎn)進(jìn)行匹配拼接。完成后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪簡(jiǎn)化處理，即去除被測(cè)物體以外的數(shù)據(jù)，然后再把局部的障礙物點(diǎn)云去除，即可得被測(cè)物的點(diǎn)云圖。本次導(dǎo)入處理用時(shí)14分鐘，拼接注冊(cè)用時(shí)16分鐘，完成掃描云圖如圖1所示。

圖1 某貨場(chǎng)通用門式起重機(jī)正視圖

在SCENE軟件中調(diào)整好合適的視圖角度，將起重機(jī)模型與空間X、Y、Z軸相對(duì)應(yīng)，SCENE軟件中自帶測(cè)距功能，在掃描云圖中想要測(cè)量的位置插入標(biāo)記點(diǎn)，然后使用測(cè)量對(duì)象工具，測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的距離，雙擊測(cè)量線可以讀取測(cè)量對(duì)象的屬性見圖2，所得數(shù)據(jù)可以直接留存在云圖上，可以隨時(shí)讀取。

從三維激光掃描儀導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)都具有各自的三維坐標(biāo)，測(cè)量的對(duì)象也帶有相應(yīng)的三維信息，如圖2中可以顯示測(cè)量對(duì)象的總體距離、垂直距離、水平距離、沿X軸、沿Y軸，以懸臂長(zhǎng)度測(cè)量為例，我們只需在起點(diǎn)平線（或面）和終點(diǎn)線（或面）選擇任意兩點(diǎn)測(cè)量，甚至無需水平，得出的結(jié)果我們?nèi)⊙豖軸的數(shù)值即為所求，這樣的測(cè)量方法大大降低了起重機(jī)上部一些數(shù)據(jù)的測(cè)量難度，減少了人工測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 測(cè)量對(duì)象的屬性

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析

（1）安全技術(shù)參數(shù)比對(duì)。①主梁上拱度。根據(jù)GB/T14406-2011通用門式起重機(jī)可知，主梁應(yīng)有上拱度，靜載試驗(yàn)后，上拱度最高點(diǎn)在跨度中部1/10范圍內(nèi)，其值不應(yīng)小于0.7S/1000，S為起重機(jī)跨度，經(jīng)計(jì)算為18.2mm。利用掃描得到的點(diǎn)云圖進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算可得拱度為56.15mm。我們用普通的水平儀鋼直尺的方法對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果所得拱度為57mm。受大小車軌道水平高低差，磨損形變和鋼絲繩變形應(yīng)力存在，水準(zhǔn)儀方法會(huì)存在一定的誤差，而三維掃描則是直接在點(diǎn)云圖中選點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上三維技術(shù)得出的拱度值，相對(duì)更準(zhǔn)確，接近無誤差狀態(tài)。并且由于鋼直尺測(cè)量精度為1mm，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度為0.01mm，在一定程度上說，三維掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果是要比水準(zhǔn)儀鋼直尺測(cè)得的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)的。②腹板垂直偏斜值。GB/T14406-2011通用門式起重機(jī)要求箱型梁腹板的垂直偏斜值h≤H/200,H為腹板高度，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)可取H為垂直距離1996.7mm，H/200=99.835mm，沿Y值可得腹板垂直偏斜值h為4.3mm≤99.835mm，符合要求。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，三維激光掃描建模技術(shù)可以用于起重機(jī)械安全技術(shù)參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果均符合要求。③與科力達(dá)KTS-460R8L型全站儀進(jìn)行比對(duì)。我們?cè)谄鹬貦C(jī)上主梁加強(qiáng)筋的位置選擇11個(gè)點(diǎn)分別用三維激光掃描儀和全站儀進(jìn)行測(cè)距，云圖掃描結(jié)果可以隨時(shí)切換單位，全站儀選擇對(duì)邊測(cè)量，數(shù)據(jù)比對(duì)如表1（單位m）

表1 三維激光測(cè)量結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果比對(duì)

由表中比對(duì)結(jié)果可以看出，使用三維激光測(cè)量和全站儀測(cè)量進(jìn)行比對(duì)，兩者結(jié)果的差值在誤差要求范圍內(nèi)，因此，三維激光測(cè)量技術(shù)完全可以運(yùn)用到起重機(jī)械的檢驗(yàn)檢測(cè)中。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過三組實(shí)驗(yàn)可知，將三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)的傳統(tǒng)測(cè)量，檢驗(yàn)檢測(cè)以及后續(xù)變形的追溯上有著很大的優(yōu)勢(shì)，相較傳統(tǒng)的測(cè)量方法，三維激光測(cè)量具有測(cè)量誤差較小，測(cè)量過程安全、用時(shí)較短，一次掃描可以測(cè)量多組數(shù)據(jù)，一次可以掃描多個(gè)起重機(jī)，可長(zhǎng)期保存，具有可追溯性等優(yōu)點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)研究

針對(duì)三維掃描技術(shù)的便利性與可靠性，目前我們開發(fā)了一款起重機(jī)靜態(tài)幾何尺寸存儲(chǔ)軟件，將我們每次檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過與以往數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可分析出起重機(jī)的各項(xiàng)尺寸的變形量，從而分析其運(yùn)行狀態(tài)，疲勞程度，以及是否需要進(jìn)行大修改造等處理，在一定程度上可以掌握其完整使用周期內(nèi)的幾何尺寸動(dòng)態(tài)變量，在幫助企業(yè)排除安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，也可作為對(duì)制造單位的制造工藝，產(chǎn)品材料等技術(shù)工藝的一種評(píng)定方法。該軟件是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)測(cè)量和可追溯系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)掃描功能，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理，可以自動(dòng)識(shí)別起重機(jī)軌道，能自動(dòng)大數(shù)據(jù)量建模，自動(dòng)提取鋼軌中心線，內(nèi)間距，外間距，可比對(duì)監(jiān)測(cè)模型數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)，對(duì)鋼軌變形超過特定數(shù)值記錄并提取。對(duì)起重機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，具有建模及設(shè)計(jì)于一體，基于Microsoft SQL ServerMicrosoft SQL Server JDBC Driver（SQLServer 2000）數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)分析處理模塊。該系統(tǒng)基于AutoDesk公司AutoCAD基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分層，特征點(diǎn)線面的提取，以及與設(shè)計(jì)圖紙的比對(duì)，得出實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，并比較誤差是否在合理范圍區(qū)間，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)檔案永久保存相應(yīng)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型包含xyz、wrl、xyzb、ptc、ptx、dxf、igs等數(shù)據(jù)格式。

5 結(jié)語

本文以建立某起重機(jī)表面三維模型為目的，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)得出起重機(jī)的跨度，拱度，腹板垂直偏斜值經(jīng)與全站儀對(duì)比分析得出其測(cè)量精度滿足要求，搭配我們研發(fā)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)測(cè)量和可追溯系統(tǒng)可對(duì)被測(cè)起重機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤與分析。三維激光掃描技術(shù)作為一種成熟的高端測(cè)量手段，其高精度、高效率、安全性已經(jīng)得到了有力證實(shí)。目前根據(jù)起重機(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)所需的靜態(tài)幾何尺寸，利用該技術(shù)均可以快速高效的完成，然而將該技術(shù)運(yùn)用在檢測(cè)起重機(jī)主要金屬結(jié)構(gòu)尺寸的動(dòng)態(tài)變量值是其深度應(yīng)用的終極目標(biāo)。