基于三維激光掃描技術的船用柴油機管系檢測

唐豪，陸龍，楊奮強，張雷雷，馮媛

（陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713100）

0 引言

船用中速柴油機管系結構多樣，空間轉角和彎曲角度不盡相同，對于船用中速柴油機復雜空間管件的檢測，主要采用傳統的劃線式檢測和工裝比對接口的模式，檢測時間周期長，并且無法得到精確的測量值；嚴重影響裝機效率和裝機質量。相對于傳統檢測模式，三維激光掃描技術具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優勢，通過大量的點云數據能夠準確表達被測對象的空間幾何特征[1]。林偉恩等[2]利用三維激光掃描技術準確完整地記錄了船體型線空間幾何特征信息，降低了船體型線數據處理難度，提高了型線圖繪制效率。張遠智等[3]利用三維激光掃描技術有效檢測出管道的幾何變形量，相對于傳統的檢測技術具有更高的檢測精度。查閱相關文獻[4-6]，目前三維激光掃描技術對于船用中速柴油機管系檢測研究實例較少，所以將三維激光掃描技術引入到船用中速柴油機管系檢測中，對提高船用中速柴油機管件檢測的效率和管件制作的精準性有著極大的現實意義。本文根據三維激光掃描測量原理對船用中速柴油機管系進行檢測，基于獲取的點云數據分析了管系的空間尺寸和偏差情況，驗證了三維激光掃描技術在船用中速柴油機管系檢測領域的可行性。

1 三維激光掃描數據的獲取

三維掃描過程中需正確連接設備的各組件，在每次開始掃描之前需對掃描設備進行校準，以保證掃描模型的精度要求。校準完成之后需對設備進行調試，確保被掃描物體在有效掃描區域內，完成以上準備工作后，等待設備預熱結束后方可開始掃描。本次掃描采用的是TrackScan跟蹤式三維掃描系統，掃描精度為0.025 mm，最高掃描速率為每秒測量1 900 000次，無需貼點就可以完成超高精度動態三維測量。

1.1 掃描環境

三維掃描的過程中要確保是在一個穩定的環境下進行掃描，保證三維激光掃描儀的穩固性和避免強光和逆光的對射，最大程度地減少外部因素對三維掃描結果的影響。

1.2 掃描校準

為掃描出精確的三維模型數據，在掃描前要進行掃描校準，校準過程中要根據三維激光掃描儀預先設置的掃描模式，計算出設備和工件之間的位置距離。校準三維激光掃描儀時，根據工件的尺寸來調整設備系統設置的三維掃描環境。校準完成后，可以通過掃描已知三維數據的測量物體來進行檢查比對。

1.3 表面處理

三維掃描對工件表面也有要求，對于半透明材料、光澤性好、顏色較暗的工件需要在工件表面上噴上薄薄的一層顯像劑，目的是為了更好地掃描出物體的三維特征，得到更精確的模型數據。但顯像劑噴灑過多，會造成物體厚度的疊加，從而影響掃描精度。船用中速柴油機空氣進口管的材質為022Cr19Ni10不銹鋼，表面涂有防銹漆；能夠掃描出物體的三維特征，因此不需要進行表面處理的工作。

1.4 掃描過程

掃描準備工作完成后就可以對工件進行掃描，用三維激光掃描儀對掃描工件從不同的角度進行三維數據的捕捉，對于需要檢測的特征要素要全方位完整地進行掃描，通過更改物體擺放方式或調整三維激光掃描儀的設備來完成工件的掃描，直至掃描界面中出現完整的工件模型信息。

2 三維激光掃描數據的處理

掃描完成后的模型需要進行去噪處理和輕量化處理，然后將多次掃描的結果進行合并，才能初步得到完整的掃描模型。在檢測軟件中導入3D掃描模型數據與原始CAD設計模型，將3D掃描模型與原始CAD設計模型進行對齊處理。創建偏差顏色圖譜，并測量尺寸與公差。

2.1 坐標對齊

由于掃描數據的坐標隨機性，因此就需要坐標對齊。坐標對齊就是將3D掃描模型的坐標系和原始CAD設計模型的坐標系相統一，這兩個坐標系的統一性越高，則建出模型的偏差就會越小，得到的模型質量相對越高。坐標對齊的方式有點線面對齊方式和XYZ對齊方式。點線面對齊方式是分別拾取模型3個不同的特征面作為參考標準進行模型的最佳擬合方式；XYZ對齊方式是以模型的某一特征點作為坐標原點，再選取兩個不同的特征面來進行模型的最佳擬合。雖然兩種不同的坐標對齊方式都能生成一樣的結果，但是點線面的坐標對齊方式更適合回轉體類的模型。

2.2 比對評估

完成坐標對齊后，就要對模型進行比對評估，根據不同的公差帶范圍創建偏差顏色圖譜，并完成模型的尺寸測量與公差分析。

3 檢測結果與分析

3.1 檢測結果

空氣進口管的坐標對齊采用XYZ對齊方式，選取空氣進口管的一端法蘭中心點作為坐標原點，再選取另一端法蘭的端面和空氣進口管的外表面來進行模型最佳擬合，擬合結果如圖1（a）所示。空氣進口管的公差帶范圍為±1 mm，將其偏差顏色設為綠色，模型的公差帶范圍設為±5 mm，偏差顏色由紅色到藍色漸變，偏差模型結果如圖1（b）所示。

圖1 空氣進口管擬合和偏差模型

根據模型的最佳擬合結果可以看出，空氣進口管的第一段彎管處出現了嚴重的尺寸偏差，最小偏差為-46.0947 mm，最大偏差為38.3630 mm；空氣進口管的平均偏差為4.2957 mm，11.0376%的掃描模型在公差帶±1 mm的范圍內，其余部分均超出空氣進口管的公差帶范圍。

3.2 尺寸測量與偏差分析

將空氣進口管的公差帶范圍調整為±0.1 mm，偏差顏色設為綠色，模型的公差帶范圍調整為±1 mm，偏差顏色由紅色到藍色漸變，法蘭1的端面到法蘭2的中心點距離要求尺寸為1500＋1－1mm，實際檢測尺寸為1502.5645 mm；法蘭2的相位角要求為22.5°，實際檢測結果為22.8991°；尺寸測量結果如圖2（a）所示。在空氣進口管上任取部分點進行分析，所選取的點集中，最小偏差為-27.4678 mm，最大偏差為7.2802 mm，平均偏差為-13.5909 mm。由圖2（b）可知，空氣進口管前半段主要是正偏差，空氣進口管后半段主要是負偏差。

圖2 空氣進口管尺寸測量和偏差分析

法蘭1的中心點到法蘭2端面的Z軸方向距離要求尺寸為86.5＋1－1mm，實際檢測尺寸為56.1633 mm；尺寸測量結果如圖3（a）所示。在法蘭2上任取部分點進行分析，所選取的點集中，最小偏差為-27.7865 mm，最大偏差為17.7621 mm，平均偏差為17.5629 mm。由圖3（b）可知，法蘭2的尺寸偏差導致了法蘭1的中心點到法蘭2端面的Z軸方向距離要求尺寸與實際檢測尺寸之間出現了差異。

圖3 法蘭2端面尺寸測量和偏差分析

法蘭1的相位角要求為10°，實際檢測結果為9.3581°；法蘭1中心點到法蘭2中心點的X軸方向距離要求尺寸為56＋1－1mm，實際檢測尺寸為75.7826 mm，尺寸測量結果如圖4（a）所示。在法蘭1上任取部分點進行分析，所選取的點集中，最小偏差為-1.2162 mm，最大偏差為0.0067 mm，平均偏差為-0.8184 mm；由圖4（b）可知，空氣進口管在X軸方向的尺寸偏差，使得法蘭1中心點到法蘭2中心點的X軸方向距離要求尺寸與實際檢測尺寸之間出現了差異。

圖4 法蘭1端面尺寸測量和偏差分析

3.3 檢測結果對比

同時采用三坐標測量機和三維激光掃描技術對該空氣進口管進行檢測，分別得到在不同檢測方式下的線性尺寸和法蘭相位角結果，如表1所示。

表1 空氣進口管檢測結果數據表

傳統的劃線式檢測和工裝比對接口的模式無法得到精確的測量值，由于人為因素的影響，所得到的檢測數據誤差較大；通過三維激光掃描技術能夠得到精確的檢測尺寸結果，檢測數據準確，與三坐標測量機的檢測結果相吻合。

4 結論

1）根據三維激光掃描檢測結果，并結合模型最佳擬合的偏差分析，空氣進口管的第一段彎管處和法蘭2的端面出現了嚴重尺寸偏差。2）空氣進口管的三維激光掃描結果和三坐標測量機的檢測結果基本吻合，但三維激光掃描的檢測效率明顯優于三坐標測量機。3）使用三維激光掃描技術對于長度短、特征多、空間結構復雜的管件具有檢測方便、結果比對直觀、可靠的優點；與傳統方法相比，提高了管件的檢測效率。