三維掃描技術(shù)在船舶修理中的應(yīng)用

馮建明，趙 銳

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，其采用激光測(cè)距原理，可瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)[1]。三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)精度高，測(cè)量速度快，操作較為簡(jiǎn)便，具有巨大的效率和成本優(yōu)勢(shì)，故其在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。在船舶修理過(guò)程中，外殼曲面換新、舵葉修理、分段精度控制等諸多工作需要使用測(cè)量技術(shù)。由于傳統(tǒng)的測(cè)量工具和方法具有較大的局限性，三維激光掃描技術(shù)在船舶修理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)三維掃描技術(shù)的原理進(jìn)行分析，并對(duì)其在船舶修理中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 項(xiàng)目概況

在本項(xiàng)目中，由于原船舶設(shè)計(jì)有誤，平行中體長(zhǎng)度不足，需要在艉部靠近平行中體處增加外掛結(jié)構(gòu)以彌補(bǔ)缺陷。新加結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約12 m，高約5 m，見(jiàn)圖1。由于新增結(jié)構(gòu)所在區(qū)域?yàn)殡p曲船殼，需要得到殼體的線型值（描述船體形狀的三維坐標(biāo)點(diǎn)）[2]，并繪制相應(yīng)線型圖。由于線型圖為船廠的保密資料，一般不會(huì)在完工圖紙中隨船提供該資料，故需要通過(guò)測(cè)量的方式得到原船的線型數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定新加結(jié)構(gòu)與原船結(jié)構(gòu)的接觸曲面。

圖1 新加結(jié)構(gòu)示意圖

2 問(wèn)題分析

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，可采用2 種方法解決原船線型 缺失的問(wèn)題：1）扁鐵樣條法，即沿原船外殼制作樣條扁鐵；2）PDF 描線法，即找出此區(qū)域每個(gè)剖面的結(jié)構(gòu)圖，掃描成PDF 文件，并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件描繪出樣條線。本文提出一種3D 掃描方法，相較于傳統(tǒng)方法，該方法精度最高，但對(duì)專業(yè)設(shè)備和船廠硬件實(shí)力的要求比較高。3 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表1。對(duì)于本項(xiàng)目，施工區(qū)域在掃描范圍內(nèi)，且船廠已配備3D 掃描儀，故3D 掃描方法是最優(yōu)方法。

表1 獲取線型數(shù)據(jù)方法比較

3 工作原理

三維掃描技術(shù)主要利用激光測(cè)距原理來(lái)獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)[3]，在工作時(shí)，以掃描儀中心為原點(diǎn)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，并向外發(fā)射激光脈沖至目標(biāo)對(duì)象的表面。通過(guò)計(jì)時(shí)系統(tǒng)記錄激光從發(fā)射到返回的時(shí)間，利用測(cè)角系統(tǒng)捕獲掃描儀與被測(cè)物體間的水平角和豎直角，通過(guò)系統(tǒng)集成的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和激光轉(zhuǎn)向鏡對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行覆蓋式掃描，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體三維坐標(biāo)的采集。通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算物體的位置信息，并保存掃描點(diǎn)的坐標(biāo)值，若是彩色掃描，則將色彩數(shù)據(jù)連同坐標(biāo)值一起存儲(chǔ)。三維掃描技術(shù)測(cè)量速度快、精度高，在本項(xiàng)目中，黑白掃描僅需3 min，彩色掃描僅需6 mm即可完成，誤差可以控制在0.03 mm/m。

4 操作流程

使用三維掃描儀進(jìn)行船殼修理的操作流程如下所示：

1）船舶停靠在碼頭上，收緊纜繩，盡量避免船舶移動(dòng)，挑選風(fēng)浪較少的時(shí)段進(jìn)行測(cè)量。

2）找出船舶外殼上的標(biāo)記點(diǎn)，如分艙標(biāo)記、水線和甲板邊線等，以便在后期處理數(shù)據(jù)時(shí)獲取定位信息。

3）選取合適的三維掃描儀擺放位置，設(shè)置掃描范圍及其他相關(guān)參數(shù)。

4）開(kāi)始掃描，在掃描過(guò)程中，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員和車輛進(jìn)入掃描范圍，以免對(duì)掃描形成干擾。

5）掃描完畢，通過(guò)掃描儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和轉(zhuǎn)換，并生成可在CAD 中打開(kāi)的格式文件。

6）在CAD 中打開(kāi)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，找到標(biāo)記特征點(diǎn)，并將船體按坐標(biāo)位置擺放正確。

7）在CAD 中截取若干截面，生成樣條曲線以便后期光順操作時(shí)使用。

8）將提取得到的樣條曲線導(dǎo)入船體三維軟件 進(jìn)行光順處理，生成可用于生產(chǎn)設(shè)計(jì)的曲面。

5 數(shù)據(jù)處理

做好數(shù)據(jù)的整合處理，準(zhǔn)確提取有用的信息對(duì)于三維掃描技術(shù)在船舶修理中的應(yīng)用特別重要。將掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD 軟件，三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于其自定義的掃描坐標(biāo)系中，其內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)位置不會(huì)變動(dòng)，且與實(shí)物外形相匹配。截取截面，將數(shù)據(jù)點(diǎn)連成線，進(jìn)而創(chuàng)建光順的曲面。點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件在CAD 中的效果與照片類似（見(jiàn)圖2），但將其局部放大后，可以看出實(shí)際由密密麻麻的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在CAD 中的效果

圖3 點(diǎn)云局部放大圖

在進(jìn)行掃描操作時(shí)，船舶處于浮態(tài)，即使將前后纜繩收緊，并挑選風(fēng)浪良好的時(shí)段進(jìn)行測(cè)量，船舶還是會(huì)產(chǎn)生幅度約100 mm 的晃動(dòng)，晃動(dòng)產(chǎn)生的影響會(huì)直接反映在點(diǎn)云中，導(dǎo)致產(chǎn)生里、外兩層圖像，兩層間的距離大概為15 mm。

為盡可能消除船舶晃動(dòng)的影響，取點(diǎn)連線時(shí)要統(tǒng)一選取同一層。在曲線繪制完成后，做好記錄，為下一步數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。

在原始線型提取完畢后，利用點(diǎn)列表查詢工具得到樣條線的坐標(biāo)點(diǎn)，復(fù)制到Excel 表格中，根據(jù)船體三維設(shè)計(jì)軟件Tribon要求的數(shù)據(jù)點(diǎn)格式生成相應(yīng)的文件。接著將線型進(jìn)行光順處理，得到光順曲面，并導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)模塊中進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

6 結(jié)果對(duì)比

在根據(jù)三維掃描的數(shù)據(jù)得到曲面后，接著進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，在新加結(jié)構(gòu)與原船外板相接的地方加放30 mm 的余量。將結(jié)構(gòu)模型與點(diǎn)云疊放在一起進(jìn)行對(duì)比以檢驗(yàn)三維掃描技術(shù)所得曲面的誤差，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 型線誤差值

由表2 可知，三維掃描技術(shù)的誤差基本可控制在30 mm 以內(nèi)。在實(shí)際安裝時(shí)，還可進(jìn)一步縮減加設(shè)余量。本項(xiàng)目的三維模型圖和完工狀態(tài)圖分別見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 三維模型圖

圖5 完工狀態(tài)圖

7 結(jié)論

作為一種新興的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在船舶修理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文分析了三維掃描技術(shù)的原理，并結(jié)合具體項(xiàng)目介紹了三維掃描技術(shù)在船舶修理中的應(yīng)用情況，可得到如下結(jié)論：

1）新加結(jié)構(gòu)與原船貼合完美，這說(shuō)明對(duì)于小范圍的船殼曲面修理工程，采用三維掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面生產(chǎn)設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。

2）與常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法相比，三維激光掃描方法測(cè)量簡(jiǎn)便，精度更高，數(shù)據(jù)更加全面，具備較高 的推廣價(jià)值。

希望本文的研究能夠?yàn)槿S掃描技術(shù)在船舶修理中的應(yīng)用提供一定參考。