手持式三維激光掃描儀在工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

李 毅，徐 超，廖開星，趙洪瑤

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

工業(yè)測量以工業(yè)產(chǎn)品或其零部件的幾何量為測量對象，采用多種測量理論、方法和設(shè)備進行精密三維空間測量，主要為工業(yè)產(chǎn)品的制造、安裝、質(zhì)量檢測及仿真建模等服務(wù)[1]。三維激光掃描是近十幾年來迅速發(fā)展的一種新的測量技術(shù)，是繼GPS之后測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，被廣泛應(yīng)用于土木[2]、建筑[3]、文物保護[4- 5]等領(lǐng)域。同樣，在工業(yè)測量方面，三維激光掃描技術(shù)有著傳統(tǒng)測繪技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，可應(yīng)用于高效的復(fù)雜工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測[6]。它通過非接觸式的三維激光掃描得到復(fù)雜工業(yè)構(gòu)件的表面點云模型，然后利用逆向工程進行三維建模得到構(gòu)件的三維表面模型，實現(xiàn)工業(yè)構(gòu)件實物的數(shù)字化，在數(shù)字化的模型上再進行相關(guān)的質(zhì)量檢測。如對數(shù)字化的工業(yè)構(gòu)件表面圓孔的空間位置和直徑進行分析，可檢驗工業(yè)構(gòu)件的加工精度，也可為其進一步組合安裝提供指導(dǎo)[7]。手持式三維激光掃描儀作為一種便攜式的三維激光掃描儀，通過手持移動掃描來獲取工業(yè)構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，其自定位功能能夠在掃描過程中對被掃描對象進行自動配準(zhǔn)，大大提高了測量工作的效率[8]。手持式掃描儀測量速度快，測量精度高，非常適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)構(gòu)件進行三維建模，在工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測中有著廣闊的應(yīng)用前景[9- 10]。

1 手持式三維激光掃描儀工業(yè)構(gòu)件檢測方法

利用手持式三維激光掃描儀檢測工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量主要分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理3個步驟。

1.1 前期準(zhǔn)備

手持式三維激光掃描儀的測量誤差主要是由儀器、掃描目標(biāo)及環(huán)境引起的誤差[11]。儀器的影響主要包括掃描儀內(nèi)部的CCD接收器、光學(xué)部件及發(fā)射的激光強度與激光光斑形狀的影響。掃描目標(biāo)的影響主要為掃描目標(biāo)的顏色、表面粗糙程度及相對于掃描儀傾斜程度等。環(huán)境的影響則包括掃描儀工作時周圍環(huán)境的溫度、濕度、氣壓等因素。因此，為保證測量精度，需進行一些前期準(zhǔn)備工作。

1.1.1 掃描環(huán)境的建立

由于溫度、濕度、氣壓等會影響激光的形狀及傳播路徑，造成接收器接收到信號的變化，使得掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。因此在對工業(yè)構(gòu)件進行三維掃描之前須構(gòu)建穩(wěn)定的掃描環(huán)境，如恒定的溫度、濕度，并避免強光和逆光對射等，保證三維掃描結(jié)果不受外部環(huán)境因素的影響。

1.1.2 激光掃描儀校準(zhǔn)

對手持式三維激光掃描儀進行校準(zhǔn)是數(shù)據(jù)采集前的一項重要工作，掃描儀需要知道自身在什么環(huán)境下進行掃描，才能掃描出準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)方法一般按照設(shè)備制造商的說明嚴(yán)格進行，仔細(xì)校正不準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)后，可通過掃描儀掃描已知三維數(shù)據(jù)的測量物體來檢查比對，若發(fā)現(xiàn)掃描儀的精度無法實現(xiàn)，需要重新校準(zhǔn)掃描儀。

1.1.3 掃描目標(biāo)表面處理

有些工業(yè)構(gòu)件表面對激光反射較強，抑或顏色較暗，使得直接掃描比較困難，此時需要對構(gòu)件著色，增強構(gòu)件表面的漫反射，便于掃描儀更好地掃描出目標(biāo)的三維特征。著色劑的噴施需要均勻，不可太薄或太厚，太薄會影響最終點云數(shù)據(jù)的完整程度，太厚不僅會覆蓋掉一些細(xì)節(jié)特征，還會增大構(gòu)件的外形。

手持式三維激光掃描儀一般具有自定位功能，無需其他外部跟蹤裝置即可自動拼接完成掃描工作，而這主要通過在工業(yè)構(gòu)件表面粘貼定位靶標(biāo)來實現(xiàn)。對于常規(guī)尺寸的工業(yè)構(gòu)件，可在各個面上直接粘貼定位靶標(biāo)，以滿足掃描儀完成全方位掃描的要求。若工業(yè)構(gòu)件不能貼足夠的定位靶標(biāo)，則需要增加輔助板面來完成掃描工作，即在輔助板面上按照規(guī)則均勻貼滿定位靶標(biāo)再通過手持式三維激光掃描儀對構(gòu)件進行全方位的掃描。

1.2 數(shù)據(jù)采集

前期準(zhǔn)備工作完成之后即可對工業(yè)構(gòu)件進行掃描。利用手持式三維激光掃描儀對構(gòu)件從不同的角度進行三維數(shù)據(jù)捕捉或更改構(gòu)件的擺放方式對其進行全方位的掃描。為確保掃描儀達到最佳的掃描狀態(tài)，一般掃描儀的激光發(fā)射器應(yīng)與工業(yè)構(gòu)件表面保持大致恒定的距離。掃描時一般從曲率變化較小的面開始，當(dāng)一個面掃描完成轉(zhuǎn)至相鄰面時，為便于掃描儀實現(xiàn)自動拼接，必須在掃描范圍之內(nèi)保證一定數(shù)量的定位靶標(biāo)。完成整個構(gòu)件大部分的數(shù)據(jù)點之后，即可開始對細(xì)節(jié)處進行掃描，為達到較好的掃描效果，對構(gòu)件細(xì)節(jié)部分一般需進行多角度和長時間的掃描。

1.3 數(shù)據(jù)處理

掃描得到的原始點云數(shù)據(jù)，需要首先經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理，才能在其基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的構(gòu)件質(zhì)量檢測。

1.3.1 點云處理

目前主流的手持式三維激光掃描儀均能夠?qū)崿F(xiàn)點云的自動拼接，無需后期手動拼接，即對構(gòu)件表面掃描完成之后，系統(tǒng)能夠自動生成構(gòu)件的三維點云圖形。但為了得到完整的、高質(zhì)量的、可用的點云數(shù)據(jù)，還需對點云數(shù)據(jù)進行過濾、去噪、平滑、精簡及上色等操作。點云數(shù)據(jù)處理完成之后，為了與通用的三維軟件進行對接，有時還需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化操作。

1.3.2 幾何質(zhì)量檢測

對于工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測，由于工業(yè)構(gòu)件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)特點、精度要求及檢測設(shè)備等不同，具有不同的形位誤差檢測原則。對于點云數(shù)據(jù)，一般采用理想要素比較原則和比較特征參數(shù)原則，即將點云模型與設(shè)計的理想模型的特征點相比較來評定誤差[12]。為獲取點云模型的特征數(shù)據(jù)，需要根據(jù)工業(yè)構(gòu)件的特點對點云數(shù)據(jù)進行曲面擬合[13]。曲面方程的參數(shù)描述了曲面的性質(zhì)，可以假設(shè)曲面的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)方程為

f(x,y,z,t)=0

(1)

式中，t=(t1,t2,…,tm)為曲面參數(shù)。若掃描得到了該曲面上離散數(shù)據(jù)點(xi,yi,zi)，i=1,2,…,n,由于掃描點存在觀測誤差，可以根據(jù)最小二乘原理，通過使誤差的平方和最小得到曲面參數(shù)。對于工業(yè)構(gòu)件來說，常用的擬合曲面包括平面、球面及圓柱面等[14]，相應(yīng)的曲面方程如下

ax+by+cz+1=0

(2)

(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=r2

(3)

x2+y2+z2=R2+z2

(4)

擬合得到所選曲面的曲面參數(shù)后，即可展開相關(guān)特征參數(shù)如孔徑等的檢測。若需要與設(shè)計理想模型的空間位置進行對比，則還需進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[15]，即通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放將測量坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到設(shè)計模型的設(shè)計坐標(biāo)系下，這主要通過選擇兩個坐標(biāo)系下的公共特征點來求取轉(zhuǎn)換參數(shù)實現(xiàn)。

2 案例分析

本次測量采用的是Creaform公司的HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀。如圖1所示，該掃描儀主要應(yīng)用于工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測及要求比較嚴(yán)格的逆向工程中。主要性能指標(biāo)見表1。

主要參數(shù)掃描范圍275mm×250mm測量速率480000次測量/s分辨率0.05mm精度高達0.03mm基準(zhǔn)距300mm部件尺寸范圍(建議)0.1～4.0m重量0.85kg尺寸122mm×77mm×294mm操作溫度0～40°操作濕度10%～90%非冷凝

在利用HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀對構(gòu)件進行掃描之前，構(gòu)建了穩(wěn)定的工作平臺，在平整的桌面上隨機粘貼上專用的圓形定位靶標(biāo)，如圖2(a)所示，同時為待測工件貼上定位靶標(biāo)，如圖2(b)所示，在工件表面粘貼圓形靶標(biāo)時盡量保證其不在一條直線上。所粘貼的定位靶標(biāo)主要用來輔助掃描儀自動拼接生成三維模型。

準(zhǔn)備工作完成之后，利用HandSCAN 700自帶的VXelements軟件輔助數(shù)據(jù)采集進行實時三維建模。在軟件中首先對手持激光掃描儀的相關(guān)參數(shù)(如快門、解析度等)進行調(diào)整，初步掃描采用多線模式，通過軟件實時查看掃描的工件結(jié)果，對圓孔內(nèi)表面等細(xì)節(jié)則盡可能地采集更多的點，如仍有部分位置孔洞較大，可換用單線激光模式補充測量。最終掃描得到的工件的三維模型如圖3所示。

此次主要檢測該工件表面圓孔的直徑及空間位置，通過掃描得到工件的三維點云數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)處理軟件Polyworks中進行相關(guān)特征的創(chuàng)建及數(shù)據(jù)測量工作。在Polyworks中為生成的工件模型創(chuàng)建3個相鄰的平面特征建立坐標(biāo)系，對于工件表面的圓孔特征數(shù)據(jù)通過其內(nèi)表面點進行圓柱擬合創(chuàng)建圓柱特征，從而可以得到圓孔的直徑信息。對于圓孔的空間位置，選擇各圓孔所在工件平面上的點擬合平面特征，然后由擬合的圓柱的中軸線跟平面相交得到該圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)。該工件表面各圓孔對應(yīng)的圓柱特征命名如圖4所示，得到對應(yīng)的表面圓孔特征測量數(shù)據(jù)見表2。

為了檢驗點云數(shù)據(jù)擬合計算得到的圓孔直徑的精度，利用千分尺(精度為0.01 mm)對工件表面各圓孔的直徑進行了實際測量，其測量結(jié)果見表2，x、y、z為各圓柱對應(yīng)圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)。通過對比，點云數(shù)據(jù)擬合得到的各圓孔的直徑與千分尺測量得到的直徑之差均保持在0.02 mm以內(nèi)，驗證了利用HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀獲取工件的特征數(shù)據(jù)的精度。同時，若有該工件的設(shè)計模型數(shù)據(jù)，則可通過公共點將點云數(shù)據(jù)擬合得到各圓孔表面圓的圓心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到設(shè)計坐標(biāo)系下，對工件的空間位置等信息進一步進行檢測。

表2 工件表面圓孔特征數(shù)據(jù) mm

3 結(jié) 語

工業(yè)構(gòu)件的質(zhì)量檢測對于我國制造業(yè)的發(fā)展有著重要意義，手持式三維激光掃描儀突破了對使用空間和環(huán)境的制約，能夠提高工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測的精度和效率并降低成本。本文提出了利用手持式三維激光掃描儀進行工件質(zhì)量檢測的方法，并以實際案例驗證了該方法的有效性，為復(fù)雜、異形、精度要求較高的工業(yè)構(gòu)件低成本連續(xù)檢測提供了一種有效的解決途徑。