基于激光三維掃描的旋回破碎機襯板測量方法及其應用

田振華，劉 俊，王躍輝，杜自彬，趙 虎，朱成睿

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

旋回破碎機是一種礦石粗碎設備，主要工作原理是利用動錐在內腔中的旋回運動來進行物料的擠壓、破碎[1]。旋回破碎機用于礦山系統的粗碎工段，礦石的體積較大，襯板磨損消耗較大，需要經常更換。目前礦山企業都是基于經驗對襯板進行定期更換，這會造成襯板更換不及時，或者襯板壽命的浪費。由于襯板尺寸大，磨損面不規則，因此如何科學地對襯板磨損進行評估測量，進而可以計算襯板的壽命是目前需要解決的關鍵問題。

筆者提出了一種基于三維激光掃描、對旋回破碎機定錐和動錐襯板進行測量的方法，測量過程中不需要拆卸襯板，只需使用三維激光掃描儀進行掃描，對生成的點云數據進行處理分析即可[2]。此方法可量化襯板磨損數值，為礦企的備品備件計劃提供數據支持。

1 三維激光掃描儀及現場應用

1.1 FARO 三維激光掃描儀簡介

采用 FARO 三維激光掃描儀對旋回破碎機襯板進行掃描。三維激光掃描儀能夠快速、精確地獲取復雜物體和建筑物的測量結果。儀器配備觸摸屏，能對亮度急劇變化下捕捉的掃描數據進行自然的顏色疊加，掃描完畢后生成點云數據存儲在配套的存儲卡中[3]。三維激光掃描儀如圖 1 所示。

圖1 FARO 三維激光掃描儀Fig.1 FARO 3D laser scanner

1.2 現場掃描步驟

本次掃描以某鉬業公司的旋回破碎機為例進行闡述。

1.2.1 設置標靶球

標靶球為 FARO 公司提供的白色球體，底部有磁座，可吸附在鋼件上，用于對分批次掃描的結果進行空間點云數據的定位。要求每次掃描必須有 3 個以上標靶球出現在掃描視野中[4]。

現場共使用了 10 個標靶球，均勻吸附在旋回破碎機四周錨固的鋼板上，如圖 2 所示。

圖2 FARO 標靶球分布Fig.2 Distribution of FARO target ball

1.2.2 設置掃描參數

掃描距離 ＞ 10 m，掃描垂直角度為 -60°～ 30°，掃描水平角度為 0°～ 120°，共對破碎機 5 個方位掃描5 次。

2 點云數據處理

2.1 點云數據拼接擬合

由于分 5 次從不同的方位對破碎機進行掃描，需要將這 5 次點云數據進行數據拼接擬合，才能生成整個破碎機完整的三維點云數據。

使用 FARO 軟件對點云數據進行拼接擬合。首先將 5 次點云數據導入到軟件中，然后設置擬合參數，經過計算機運算后即可得到完整的點云數據，如圖 3所示。

圖3 拼接擬合后的完整點云數據Fig.3 Complete point cloud data after splicing and fitting

圖3 是完整的點云數據，但很多數據是不需要的，可裁剪去除，圖 4 是裁剪后的點云數據。

圖4 裁剪后的點云數據Fig.4 Cropped point cloud data

2.2 生成符合測量要求的點云數據

軟件生成的點云數據還需要進一步處理，才能與三維實體模型 (襯板原始尺寸) 進行比對，計算出磨損值，具體處理步驟為：設置采樣率，處理邊界，去除體外孤點，去除噪聲數據[5]。

掃描的目的是為了進行襯板磨損值的測量，無關的點云數據可以去除。因為襯板是安裝在定錐、動錐上的，所以最終只需處理定錐、動錐及襯板的點云數據即可，如圖 5 所示。

圖5 襯板、定錐、動錐點云數據Fig.5 Point cloud data of liner,fixed cone and moving cone

3 襯板磨損測量

(1) 將定錐、動錐及襯板點云數據和三維實體模型 (襯板原始尺寸) 一起導入到點云數據處理軟件中。

(2) 在軟件中分別對點云數據和三維實體模型建立圓錐軸線、平面等定位特征。該軟件的使用方法類似于常見的三維軟件 (SolidWorks、Inventor 等)，可以方便地建立這些定位特征。

(3) 進行點云數據和三維實體模型的擬合。將三維實體模型的圓錐軸線與點云數據的圓錐軸線重合，再將三維實體模型的平面與點云數據相對應的平面重合，即可完成擬合，如圖 6 所示。

圖6 點云數據與三維實體模型的擬合Fig.6 Fitting of point cloud data and 3D solid model

(4) 使用 2D 截面進行襯板磨損的位置選取，如圖7 所示。然后進行磨損值的計算，如圖 8 所示。圖 8中實線輪廓是三維實體模型的輪廓線，點云數據區域在實線輪廓以內，表示襯板已經磨損，通過鼠標選取位置，可以計算出準確的磨損值，并生成報告。

圖7 位置選取的 2D 截面Fig.7 2D section of selected position

圖8 襯板磨損測量結果Fig.8 Measurement results of liner wear

由圖 8 可知，最大磨損值為 126.602 1 mm，定錐上的襯板磨損較為均勻，動錐上的襯板磨損不對稱。通過不同時間的數據采集，可以做出襯板磨損曲線，并根據曲線擬合出公式，進而計算出需要更換襯板的時間。

4 結語

通過使用三維激光掃描儀采集點云數據，并對點云數據進行處理、分析，可以準確計算出旋回破碎機的襯板磨損值。這種方法不僅能夠避免在破碎機里用尺子進行人工測量的危險性，實現了非接觸測量，并且通過多次、不同時間的點云數據的采集和分析，可以做出襯板磨損曲線，通過擬合這些曲線生成公式，即可計算出襯板需要更換的時間，可為礦企的備品備件計劃提供數據支持，具有一定的參考應用價值。