船舶合攏管激光3D測(cè)量設(shè)計(jì)方案

秦嘉岷, 刁廣州， 饒 靖

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

近幾年，一些大型造船企業(yè)正在不斷推進(jìn)精度控制技術(shù)及數(shù)字化智能建造技術(shù)的應(yīng)用，但在船體分段/總段合龍時(shí)的合攏管，或最終連接設(shè)備的管子，由于誤差累積及建造精度的影響，大量合攏管的實(shí)際形狀與原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)無(wú)法匹配且不能正確安裝，一般的造船企業(yè)目前大多采用在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用輔助材料制作管子模板，或?qū)︻A(yù)制的合攏管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修割的傳統(tǒng)制作方法進(jìn)行修正。前者由于采用現(xiàn)場(chǎng)制作模板的方式制作合攏管，船廠每年在材料上就需投入約50萬(wàn)元，還浪費(fèi)大量的動(dòng)力能源和人力資源[1]；后者由于預(yù)制管是按原先設(shè)計(jì)圖加工的，管子形狀雖然大致相同，但管子的相對(duì)坐標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)空間的相對(duì)坐標(biāo)基本完全不同，有的可以現(xiàn)場(chǎng)修割，完成管子與法蘭的校準(zhǔn)后再下船完成焊接工作，有的則可能無(wú)法修割而需要重新制作管子，同樣造成大量的返工及人力、材料的損耗，并且均須在現(xiàn)場(chǎng)配置動(dòng)力能源。目前也有少數(shù)幾家大型的造船企業(yè)正在應(yīng)用新的合攏管制作工藝，即采用拉線傳感技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量合攏管空間坐標(biāo)，此方法相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)制作模板或現(xiàn)場(chǎng)修割的方法進(jìn)步了許多，但由于拉線傳感測(cè)量技術(shù)存在一定的局限性，目前只能適用于法蘭連接的合攏管測(cè)量，無(wú)法滿足套管和對(duì)接連接形式的合攏管測(cè)量，并且如果在拉線中間存在障礙物或測(cè)量區(qū)域管子密集，由于不能安裝裝置從而無(wú)法測(cè)量，所以應(yīng)用拉線傳感技術(shù)僅能完成約60%的法蘭連接合攏管測(cè)量工作，余下的40%還是只能依靠傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)制作模板或現(xiàn)場(chǎng)修割的方法。開(kāi)發(fā)應(yīng)用激光3D掃描測(cè)量技術(shù)的合攏管測(cè)量系統(tǒng)，能滿足法蘭、套管及對(duì)接等各種連接形式的合攏管測(cè)量要求，在船舶合攏管制作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全面提升精度和效率、節(jié)約材料、減少工時(shí)、降低能耗等目的。

1 船舶合攏管激光3D測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體思路

隨著3D激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，其在逆向工程、工業(yè)測(cè)量、文物保護(hù)等眾多領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用[2-4]。針對(duì)船舶管子密集艙室里的合攏管和套管連接形式的合攏管難以測(cè)量的問(wèn)題，應(yīng)用激光三角法測(cè)量原理，使激光器發(fā)出的光與被測(cè)面的法線成一定角度入射到被測(cè)面上，同時(shí)利用光電探測(cè)器接收激光在被測(cè)面上的散射光或反射光，根據(jù)其在光電探測(cè)器敏感面上的移動(dòng)距離，即可得到物體表面被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，應(yīng)用激光3D掃描技術(shù)解決合攏管的測(cè)量問(wèn)題成為可能，本文主要討論應(yīng)用激光3D掃描技術(shù)研發(fā)合攏管激光3D掃描測(cè)量系統(tǒng)。激光3D掃描系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 激光3D掃描系統(tǒng)組成

目前，國(guó)內(nèi)激光3D掃描設(shè)備眾多，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品相比除掃描速度有差異外，在掃描精度、穩(wěn)定性等性能上均相差不多，所以國(guó)產(chǎn)激光3D掃描設(shè)備主要硬件能滿足合攏管測(cè)量要求。因此，采用國(guó)產(chǎn)手持式激光3D掃描設(shè)備。

通常，激光3D掃描設(shè)備對(duì)某一成品進(jìn)行掃描，獲取成品的三維數(shù)據(jù)，基于三維數(shù)據(jù)直接進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。船舶合攏管激光測(cè)量與常規(guī)的3D掃描測(cè)量零部件有所不同，待合攏法蘭或套管等零件的中間是一個(gè)空白空間或存在其他的障礙物，需要測(cè)量的是兩端待合攏法蘭或套管等的空間位置信息，從而通過(guò)空間位置信息計(jì)算合攏管的模型及所需特征點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)合攏管專用軟件進(jìn)行特征點(diǎn)的全面分析及逆向計(jì)算，生成合攏管三維模型及合攏管加工圖?？傮w設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)思路

1.2 設(shè)計(jì)原理

1.2.1 合攏管測(cè)量的關(guān)鍵信息

常規(guī)激光3D掃描測(cè)量過(guò)程是首先在被掃描物上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，要求標(biāo)記點(diǎn)的粘貼間距約在200～250 mm，掃描后經(jīng)自帶軟件進(jìn)行點(diǎn)云計(jì)算，從而得到掃描件的模型及尺寸。在整個(gè)過(guò)程中大部分時(shí)間均花費(fèi)在標(biāo)記點(diǎn)的粘貼及清除上，掃描后的最終結(jié)果就是零件三維模型的輸出。應(yīng)用激光3D測(cè)量?jī)x進(jìn)行合攏管的測(cè)量，有其特殊的信息要求，測(cè)量的關(guān)鍵信息如下：

(1) 法蘭或套管中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)。在實(shí)際環(huán)境中，法蘭或套管中心點(diǎn)是虛擬的，無(wú)法直接測(cè)量，需要通過(guò)獲取所測(cè)點(diǎn)的信息分析得出。

(2) 2個(gè)法蘭或套管中心點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，即所測(cè)合攏管x、y、z等3個(gè)空間坐標(biāo)值。由于采用的是移動(dòng)式激光3D掃描測(cè)量，須將當(dāng)前視下局部坐標(biāo)系下掃描的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，因此被掃描物須依靠一組連續(xù)的標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)建2個(gè)法蘭中心點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。

(3) 法蘭面或套管端面的矢量。待法蘭或套管等中心點(diǎn)確定后，需得知法蘭面或套管端面的空間定向，才能確定此法蘭在空間的定位，保證后續(xù)安裝時(shí)合攏管的法蘭與現(xiàn)場(chǎng)待合龍的法蘭平面相吻合。

(4) 如是法蘭連接的合攏管，還需測(cè)得法蘭螺孔的空間坐標(biāo)。合攏管安裝時(shí)，不僅要求2個(gè)連接法蘭面的吻合，還需所有的法蘭螺孔對(duì)齊，才能保證正確安裝且符合工藝要求。

1.2.2 激光3D掃描測(cè)量的特征點(diǎn)

特征點(diǎn)是合攏管計(jì)算所需要的關(guān)鍵點(diǎn)信息，需要從一堆毫無(wú)規(guī)律的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找出特征點(diǎn)。設(shè)計(jì)思路是將每1個(gè)特征點(diǎn)設(shè)計(jì)成1組有一定規(guī)律分布的標(biāo)記點(diǎn)，并將每1組的特征點(diǎn)設(shè)計(jì)成1個(gè)能夠裝配在螺孔上的裝置。將1個(gè)法蘭上安裝3個(gè)以上的特征點(diǎn)裝置，形成3點(diǎn)或多點(diǎn)空間共圓的狀態(tài)，求得螺孔特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓心，即法蘭的中心點(diǎn)位置坐標(biāo)，從而獲得合攏管的三維數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成及軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的船舶合攏管激光3D掃描測(cè)量出圖系統(tǒng)由測(cè)量硬件、計(jì)算軟件等2部分組成(見(jiàn)圖3)。系統(tǒng)硬件由激光3D測(cè)量?jī)x、標(biāo)記特征點(diǎn)裝置、專用標(biāo)記桿、終端機(jī)組成；系統(tǒng)軟件由合攏管分析軟件、合攏管工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及出圖軟件組成。

圖3 系統(tǒng)組成

2.1.1 硬件

(1) 激光3D測(cè)量?jī)x。采用國(guó)產(chǎn)X5激光3D掃描儀。

(2) 特征點(diǎn)裝置。研發(fā)設(shè)計(jì)等距、等角分布的特征點(diǎn)標(biāo)記，根據(jù)合攏管法蘭規(guī)格大小，可以自由設(shè)置3個(gè)或多個(gè)特征點(diǎn)裝置，便于軟件在分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)識(shí)別特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)值。

(3) 折疊標(biāo)記桿。常用的3D拍照或3D掃描均需在被攝區(qū)域粘貼大量的標(biāo)記點(diǎn)，在有些復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境中存在著無(wú)法粘貼標(biāo)記點(diǎn)的問(wèn)題。采用折疊標(biāo)記桿可以替換現(xiàn)場(chǎng)粘貼的標(biāo)記點(diǎn)，并可大量減少掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場(chǎng)的操作效率和計(jì)算效率。

(4) 終端的操作系統(tǒng)為WIN 7，系統(tǒng)操作平臺(tái)AutoCAD 2014。

2.1.2 軟件

(1) 分析軟件包括特征點(diǎn)分析軟件和合攏管計(jì)算軟件。從激光3D掃描測(cè)量?jī)x獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)中特征點(diǎn)的分布狀況，找出特征點(diǎn)的相互空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息；合攏管計(jì)算軟件，依據(jù)特征點(diǎn)的坐標(biāo)信息，結(jié)合系統(tǒng)中的管子工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)繪制管子走向及管子三維模型。

(2) 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)為合攏管制作的標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，包含船廠的管子彎管及制作的工藝要求及管附件的標(biāo)準(zhǔn)信息。

(3) 出圖軟件。依據(jù)管子走向模型數(shù)據(jù)及管子工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)生成合攏管的管子加工圖及加工工藝信息。

2.2 系統(tǒng)計(jì)算原理

2.2.1 系統(tǒng)計(jì)算原理

本系統(tǒng)采用的激光3D掃描設(shè)備由上下2個(gè)視相機(jī)同時(shí)進(jìn)行特征點(diǎn)掃描，考慮到掃描儀進(jìn)行多次掃描時(shí)各圖像參數(shù)不在同一坐標(biāo)系下，本文提出一種圖像分組的外參數(shù)求解方法，對(duì)各掃描點(diǎn)的公共點(diǎn)進(jìn)行圖像參數(shù)絕對(duì)定向，其原理是當(dāng)掃描2個(gè)以上視角時(shí)，利用2個(gè)視下三維點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換矩陣推導(dǎo)出各個(gè)視相機(jī)在世界坐標(biāo)系下的投影矩陣，即實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定向。其步驟如下：

(1) 設(shè)計(jì)圖像分組方法。假定掃描結(jié)束后，存在m幅圖像，n個(gè)參考點(diǎn)，構(gòu)建公共點(diǎn)測(cè)量矩陣，Aij表示第i幅圖像和第j幅圖像的公共點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(2) 確定第1組基準(zhǔn)圖像，計(jì)算矩陣A每行的個(gè)數(shù)，得到向量B，B(i)表示能與第i幅圖像構(gòu)成雙視圖像的數(shù)量，k1為B中最大值對(duì)應(yīng)的序號(hào)。

(3) 確定第2幅基準(zhǔn)圖像，k2為向量B中第2大值的序號(hào)，則第k2幅圖像為基準(zhǔn)圖像。

(4) 完成圖像分組及圖像參數(shù)求解后，將圖像1參數(shù)所在的坐標(biāo)系統(tǒng)映射到全局坐標(biāo)系中，假定第1視下三維點(diǎn)所在的坐標(biāo)系為O1x1y1z1，左右相機(jī)投影矩陣為M1和M2，

(1)

相應(yīng)的像點(diǎn)為(ui,vi)，i=1，2,投影后2個(gè)矩陣坐標(biāo)關(guān)系為

[x2,y2,z2,1]T=P21·[x1,y1,z1,1]T(2)

式中：P21為M1和M2之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

假定第2視下三維點(diǎn)所在的坐標(biāo)系為O2x2y2z2，左右相機(jī)投影矩陣為M3和M4，

(3)

相應(yīng)的像點(diǎn)為(ui,vi)，i=3,4,投影后2個(gè)矩陣坐標(biāo)關(guān)系為

[x3,y3,z3,1]T=P43·[x4,y4,z4,1]T(4)

式中：P43為M3和M4之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

(5) 將式(1)和式(2)代入式(3)，可得

(5)

(6) 由式(5)可計(jì)算得到第2次掃描2個(gè)圖像在坐標(biāo)系O1x1y1z1下的投影矩陣M3′和M4′，分別為

M3′=M3·P21

M4′=M4·P43

從而實(shí)現(xiàn)2次掃描4幅圖像外參數(shù)的絕對(duì)定向[4]。

在上面的推導(dǎo)過(guò)程中，投影矩陣可以通過(guò)標(biāo)定相機(jī)計(jì)算得到。根據(jù)拼接方式不同，2個(gè)視之間的轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算方法不同[5]。

2.2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編程軟件，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中設(shè)置的特征點(diǎn)的特征，求得特征點(diǎn)坐標(biāo)及相對(duì)空間位置，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)的工藝信息自動(dòng)生成合攏管的三維模型及管子加工信息、加工圖等功能。

3 技術(shù)指標(biāo)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用國(guó)產(chǎn)激光3D掃描測(cè)量設(shè)備，適合各種復(fù)雜環(huán)境的測(cè)量工作；

(2) 系統(tǒng)最終測(cè)量精度誤差小于0.5 mm，法蘭螺孔偏差0.3°以內(nèi)；

(3) 系統(tǒng)滿足各種法蘭連接的合攏管測(cè)量；

(4) 系統(tǒng)滿足各種套管或?qū)舆B接的合攏管測(cè)量；

(5) 軟件計(jì)算設(shè)計(jì)的合攏管形狀為最多2個(gè)彎；

(6) 系統(tǒng)測(cè)量空間長(zhǎng)度按標(biāo)記桿設(shè)定為300～2 000 mm，測(cè)量長(zhǎng)度視標(biāo)記桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度而定；

(7) 數(shù)據(jù)庫(kù)格式為SQLiteStudio，系統(tǒng)包含了管子附件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、管子坐標(biāo)圖形等數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 應(yīng)用試驗(yàn)

本文以車(chē)間模型架試驗(yàn)為載體，分別制作了不同規(guī)格、不同形狀的現(xiàn)校管模型架(見(jiàn)圖4)，管子規(guī)格以DN80、DN100為例，選取的法蘭為常用的GB 2506標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

圖4 掃描測(cè)量合攏管模型

將特征點(diǎn)裝置分別安裝在2端模型架上，2端模型架用折疊標(biāo)記桿掛靠連接，激光3D掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 掃描測(cè)量點(diǎn)云圖

軟件分析得到特征點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)軟件計(jì)算后生成合攏管模型(見(jiàn)圖6)及管子工藝數(shù)據(jù)，并生成現(xiàn)校管的管子加工圖，如圖7所示。

圖6 軟件生成的合攏管模型

圖7 合攏管加工圖

按管子加工圖提供的數(shù)據(jù)信息制作的合攏管與原模型架實(shí)際安裝后，2個(gè)連接法蘭的螺孔安裝偏差小于0.2°，2個(gè)連接法蘭面貼合平行度偏差小于0.5 mm，實(shí)際安裝效果如圖8所示，合攏管均一次安裝成功。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，合攏管與2端連接管法蘭連接符合《船用管子布置和安裝通用技術(shù)條件》(CB*/Z 345-2005)[6]，滿足船舶建造行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 合攏管安裝效果

4 結(jié) 論

本文針對(duì)船舶合攏管的制作現(xiàn)狀，提出并設(shè)計(jì)了1種船舶合攏管激光3D掃描測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了設(shè)計(jì)思路、基本原理、系統(tǒng)組成、軟件實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)及應(yīng)用取得了較好效果，得出結(jié)論如下：

(1) 本文設(shè)計(jì)的船舶合攏管激光3D掃描測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量不受環(huán)境及空間的影響，測(cè)量精度相比于常規(guī)的拉線傳感測(cè)量精度有極大的提高，實(shí)現(xiàn)合攏管一次裝運(yùn)上船安裝成功，達(dá)到節(jié)約材料、減少工時(shí)、提高精度、降低能耗等目的。

(2) 本文建立的合攏管標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，包括所有常用管徑類(lèi)型、標(biāo)準(zhǔn)法蘭、套管、對(duì)接等信息，能夠同時(shí)滿足多批次不同合攏管測(cè)量制作的需求，合攏管制作符合船舶建造的行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)(CB*/Z 345-2005)要求。

(3) 船舶合攏管激光3D測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了法蘭連接、套管連接及對(duì)接連接合攏管測(cè)量的全覆蓋，徹底改變了落后的傳統(tǒng)工藝方法。