三維激光掃描在核電維修中的應(yīng)用

李潮偉　陳志　李紅軍　羅緒珍

【摘 要】以核電廠反應(yīng)堆一回路主設(shè)備穩(wěn)壓器為對象，將三維激光掃描應(yīng)用于放射性環(huán)境下核島內(nèi)維修現(xiàn)場環(huán)境的測繪。確定了穩(wěn)壓器三維激光掃描方法及三維模型建立原則，并對建立的三維模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性分析，將三維模型結(jié)果應(yīng)用于核電維修工作中。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；穩(wěn)壓器；三維模型

0 引言

核反應(yīng)堆內(nèi)的維修工作具有維修工藝復(fù)雜、質(zhì)量可靠性要求高、進(jìn)度要求高等特點(diǎn)，為了保證維修工作的順利進(jìn)行，通常需要在廠外建立模擬驗(yàn)證平臺，而模擬驗(yàn)證平臺的真實(shí)程度將直接影響維修工藝在實(shí)際維修工作中的可執(zhí)行性。我國早期建設(shè)的核電站存在現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境圖紙收集整理難度大的問題，給模擬驗(yàn)證平臺搭建工作帶來一定的困難。本文采用三維激光掃描技術(shù)對核電廠反應(yīng)堆一回路主設(shè)備穩(wěn)壓器上部、下部及其相關(guān)的周圍環(huán)境進(jìn)行測繪。根據(jù)測繪結(jié)果對穩(wěn)壓器模擬驗(yàn)證平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時，規(guī)劃維修設(shè)備進(jìn)入施工地點(diǎn)的最佳路線及擺放位置。

1 三維激光掃描原理簡介

三維激光掃描技術(shù)是利用三維激光掃描儀從某個方向發(fā)射一個激光脈沖，然后接受通過透鏡反射回來的信號，根據(jù)發(fā)射信號和接受信號的時間差和輔助指南針、高度傳感器、陀螺儀的位置信息等，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算得出某個點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描儀會發(fā)射數(shù)以萬億計(jì)的激光脈沖，得到數(shù)以萬億計(jì)的點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在空間上形成點(diǎn)云，最終通過計(jì)算機(jī)處理得出實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維模型。

2 三維激光掃描方法

2.1 多基站掃描

使用三維激光掃描對穩(wěn)壓器現(xiàn)場環(huán)境的場景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于場景較大，區(qū)域比較復(fù)雜，因此，采取多基站掃描方式，多基站的采集方法可保證數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性，全面性。

2.2 誤差分析

利用多基站定位技術(shù)，無縫拼接技術(shù)，完成多站點(diǎn)的三維激光掃描點(diǎn)云的無縫拼接工作，形成實(shí)際場景完整的掃描點(diǎn)云，保證誤差在2mm內(nèi)。

2.3 中心定位

對拼接完好的點(diǎn)云進(jìn)行中心定位，并且根據(jù)中心對點(diǎn)云進(jìn)行基于設(shè)備的點(diǎn)云分割，然后完成基于點(diǎn)云的三維數(shù)字化模型的創(chuàng)建。

3 三維模型建立

3.1 三維模型建立的分類原則

3.1.1 重點(diǎn)零件

穩(wěn)壓器上封頭的四根接管是需要嚴(yán)格控制建模精度的零件，使用最細(xì)致的模型分類原則。采用客觀實(shí)物與三維數(shù)字化模型1：1的對應(yīng)關(guān)系，即現(xiàn)實(shí)環(huán)境中真實(shí)存在的一個零件，在三維模型中，同樣對應(yīng)一個模型零件，方便單獨(dú)零件的單獨(dú)提取和測量等。

3.1.2 非重點(diǎn)區(qū)域的零件

非重點(diǎn)區(qū)域的零件是指重點(diǎn)區(qū)域以外區(qū)域所包含的零件。由于此類區(qū)域的零件對精度的要求較低，所以為了提高建模效率，對此區(qū)域內(nèi)零件的建模，不做零件細(xì)分，可以多實(shí)體處在一個零件內(nèi)，比如廠房建筑等。

3.2 三維模型修正原則

首先需要了解，為什么三維模型需要修正：

3.2.1 零件加工過程誤差

一般的零件在設(shè)計(jì)過程中一定是由標(biāo)準(zhǔn)的直線，標(biāo)準(zhǔn)的圓弧等構(gòu)成，但是在生產(chǎn)過程中不可避免的有誤差產(chǎn)生。

比如管道類零件，弧段部分可以放大為一個一個直線段組成。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集修正

三維模型的逆向創(chuàng)建的基礎(chǔ)是由三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集的，大部分的逆向都是由自由曲面創(chuàng)建的，這樣生成的模型在弧度上是不均勻的，所以根據(jù)需求，會作相應(yīng)的修正。

3.3 主要修正內(nèi)容

主要的修正對象為穩(wěn)壓器的重要零件，包括：穩(wěn)壓器上封頭的3根弧形接管和穩(wěn)壓器下封頭的1根弧形接管。由于接管在加工過程中產(chǎn)生的加工誤差，以及在逆向過程中點(diǎn)云的影響，根據(jù)需要，在誤差允許的范圍內(nèi)，進(jìn)行了相應(yīng)的修正，并對修正差值進(jìn)行了記錄說明（圖1）。

圖1

4 三維模型準(zhǔn)確度分析

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確程度，將建立的模型分別與照片、相關(guān)圖紙和現(xiàn)場實(shí)際測量尺寸進(jìn)行了對比分析。

4.1 激光掃描結(jié)果與相關(guān)圖紙的差異說明

對于重點(diǎn)零件，以及重點(diǎn)區(qū)域的零件嚴(yán)格按照三維激光掃描結(jié)果，遵循現(xiàn)場客觀存在的真實(shí)情況，同時參照圖紙來完成三維模型的創(chuàng)建過程。

4.2 激光掃描結(jié)果與現(xiàn)場照片的差異說明

本次項(xiàng)目對于重點(diǎn)零件，以及重點(diǎn)區(qū)域的零件嚴(yán)格按照三維激光掃描結(jié)果，遵循現(xiàn)場客觀存在的真實(shí)情況，但是對于實(shí)際維修時需要去除的或者某些臨時放置的物品，進(jìn)行選擇性的去除。比如保溫層，在三維激光測繪時，只拆除一部分，而在實(shí)際維修時，可將干涉的保溫層全部拆除，因此，在后期逆向過程中，直接選擇去除保溫層。

4.3 激光掃描結(jié)果與現(xiàn)場測量尺寸的差異說明

穩(wěn)壓器上封頭接管尺寸為維修工作的重點(diǎn)零件尺寸，接管將直接用于維修設(shè)備的安裝。在核島現(xiàn)場，采用鋼板尺和外卡鉗對接管尺寸進(jìn)行了測量，將測量值與三維建模結(jié)果進(jìn)行了對比分析，見下表，實(shí)際測量結(jié)果與三維建模尺寸一致性良好（表1）。

5 三維模型的應(yīng)用

根據(jù)三維模型的空間尺寸特征，對穩(wěn)壓器模擬驗(yàn)證平臺進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括兩點(diǎn)：①在穩(wěn)壓器上部增加模擬閥門及閥門支架的結(jié)構(gòu)；②在穩(wěn)壓器下部增加裙座及與裙座相連接的支架。采用三維模型，對參加維修工作的人員進(jìn)行了現(xiàn)場環(huán)境培訓(xùn)，使維修人員充分了解現(xiàn)場環(huán)境，同時，根據(jù)三維模型的特征，規(guī)劃了維修設(shè)備進(jìn)入施工地點(diǎn)的最佳路線及擺放位置。

6 結(jié)語

采用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓器及周邊環(huán)境的測繪，建立了系統(tǒng)的三維模型，模型的準(zhǔn)確度滿足需求，為穩(wěn)壓器模擬驗(yàn)證平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，同時也為對維修人員的現(xiàn)場環(huán)境培訓(xùn)提供的基礎(chǔ)模型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張會霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[2]謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：王楠]