三維激光掃描技術(shù)在盾構(gòu)管片模具檢測(cè)方面的應(yīng)用

馬剛

摘要：現(xiàn)如今，盾構(gòu)管片模具的傳統(tǒng)檢測(cè)手段相對(duì)落后，本文主要分析了三維激光掃描的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)將所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)檢測(cè)手段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究在盾構(gòu)管片模具的檢測(cè)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及可行性。

關(guān)鍵詞：模具檢測(cè)；盾構(gòu)管片；三維激光掃描

在采用盾構(gòu)法構(gòu)建的隧道中，盾構(gòu)管片是整個(gè)隧道建筑的主體，因此盾構(gòu)管片的尺寸精度直接影響著整個(gè)隧道的凈空限界。國(guó)家相關(guān)規(guī)定指出，工程中需要對(duì)盾構(gòu)管片的尺寸嚴(yán)格把控。由于盾構(gòu)管片的載體是管片模具，因此盾構(gòu)管片的尺寸精度直接由管片載體決定。由于現(xiàn)有的傳統(tǒng)檢測(cè)手段比較落后，對(duì)于管片模具的檢測(cè)還只是停留在二維檢測(cè)，對(duì)于管片模具是否發(fā)生整體變形根本無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。三維激光掃描技術(shù)這項(xiàng)高新技術(shù)始于上世紀(jì)十九年代中期，是一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域的新突破[1] 。其通過(guò)對(duì)被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行有效記錄，再利用激光測(cè)距原理，可以將被檢測(cè)目標(biāo)的線、面、體各方面數(shù)據(jù)以及其三維模型快速的勾勒出來(lái)。

一、采用三維掃測(cè)量管片模具

（一）三維掃描儀的技術(shù)規(guī)格及工作原理

三維激光掃描儀中的主要系統(tǒng)包括跟蹤器和掃描儀，本文詳細(xì)介紹的為MetraSCAN三維掃描儀，其工作原理為：在設(shè)備中配有紅色線的激光發(fā)生器，長(zhǎng)為635nm，同時(shí)配備兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和一個(gè)閃光燈。當(dāng)掃描儀進(jìn)行工作時(shí)，激光線就會(huì)直接照射在物體表面，再由兩個(gè)工業(yè)相機(jī)對(duì)這一瞬間進(jìn)行捕捉，最終得到三維掃描的數(shù)據(jù)[2] 。由于物體不同部位其曲率也不同，因此當(dāng)光線照射在物體表面時(shí)會(huì)自然的發(fā)生折射和反射，通過(guò)將現(xiàn)實(shí)物體的外觀數(shù)據(jù)與表面特征進(jìn)行掃描，連接計(jì)算機(jī)并通過(guò)相關(guān)的軟件，即可將獲取的信息自動(dòng)生成物體的三維模型，這時(shí)就可以將原三維模型與實(shí)際測(cè)量出來(lái)的三維模型進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)利用三維掃描儀對(duì)管片模具進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

（二）三維掃描儀的工作流程

三維激光掃描儀的整體工作流程主要分為三部分，其中包括外業(yè)工作、數(shù)據(jù)的處理以及成果的輸出[3] 。

外業(yè)工作包括對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)熱、對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)、對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行測(cè)量以及通過(guò)三維掃描進(jìn)行測(cè)量。儀器校準(zhǔn)：對(duì)跟蹤器的校準(zhǔn)主要有四種采集順序，其中覆蓋了垂直、水平以及軸向三個(gè)被測(cè)量體軸。對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)需要將校準(zhǔn)板放在平面上，保證其處于平穩(wěn)的狀態(tài)，再根據(jù)跟蹤器的位置來(lái)調(diào)整校準(zhǔn)板的位置，直到滿足測(cè)試要求為止。單擊掃描儀上的觸發(fā)按鈕，將掃描儀放在校準(zhǔn)板上調(diào)整位置，直到電腦屏幕中可以顯示圖像為止，并按照軟件顯示的操作提示進(jìn)行校準(zhǔn)。檢測(cè)標(biāo)靶：將跟蹤器的跟蹤檢測(cè)范圍調(diào)到1.5～4.2m，由于管片的平均長(zhǎng)度就在3.4m左右，因此無(wú)法一次性就覆蓋整個(gè)管片模具。這時(shí)可采用搭接的方式將定位標(biāo)靶依次進(jìn)行采集，最后將標(biāo)靶均勻的分布在腔內(nèi)。管片模具掃描：采用掃描儀對(duì)模具進(jìn)行掃描操作，其中需要掃描邊界、孔位以及表面等各個(gè)部位。

數(shù)據(jù)處理包括對(duì)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理，之后根據(jù)相關(guān)軟件生產(chǎn)參考與測(cè)試模型，最后通過(guò)對(duì)齊方式進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊。掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理：先將掃描后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到相關(guān)專業(yè)軟件中，通過(guò)去除噪聲等干擾來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。最佳擬合對(duì)齊：分兩次對(duì)管片模具進(jìn)行掃描，將初次掃描后的數(shù)據(jù)定為參考模型，第二次掃描后的數(shù)據(jù)定為測(cè)試模型，將兩組數(shù)據(jù)建立起統(tǒng)一的坐標(biāo)系，通過(guò)模型的疊加可生成一個(gè)3D的色譜偏差圖，最后再進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊即可。

成果輸出包括對(duì)偏差色譜圖進(jìn)行3D對(duì)比，最后根據(jù)對(duì)比結(jié)果知道工廠對(duì)管片模具進(jìn)行修復(fù)。

二、實(shí)例分析

利用三維掃描儀檢測(cè)管片模具的整個(gè)過(guò)程中，只有最佳擬合這一步驟的效果是不可控的，因此本文主要對(duì)此通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)主要采用的B3-13塊管片模具，分為三組數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)兩兩一組分別進(jìn)行對(duì)比分析。第一組數(shù)據(jù)是對(duì)該管片模具進(jìn)行三維掃描后，用A表示第一組數(shù)據(jù)模型，用a表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測(cè)量出的管片模具寬度；第二組數(shù)據(jù)是第二次對(duì)該管片模具進(jìn)行三維掃描后，用B表示第二組數(shù)據(jù)模型，用b表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測(cè)量出的管片模具寬度；在完成第二次掃描后，輕微打開螺栓，并對(duì)該膜片進(jìn)行第三次掃描，此次掃描用C表示，用c表示用精度為0.02mm的內(nèi)徑千分尺測(cè)量出的管片模具寬度，千分尺的測(cè)量結(jié)果兩兩對(duì)比見表1和表2。

三維掃描儀這種全新的檢測(cè)方式是通過(guò)掃描的方式直接獲取物體三維信息的，其可以將掃描到的物體信息直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這樣一來(lái)就可以方便計(jì)算機(jī)直接對(duì)掃描到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。不僅如此，其在獲取零件信息時(shí)無(wú)需接觸零件表面，獲取信息的精度高，且用時(shí)非常短。如果需要對(duì)發(fā)送機(jī)配置線中已經(jīng)裝配完成的部件進(jìn)行檢查，可以利用三維掃描儀對(duì)其進(jìn)行整體性的三維掃描，然后再將掃描后所得到的三維圖像和預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)三維圖像進(jìn)行全方位的比較，判斷其是否合格。一旦發(fā)現(xiàn)采集到的三維圖像與預(yù)設(shè)圖形不一致，HMI面板就只直接顯示零件不合格，或者設(shè)備會(huì)發(fā)出警報(bào)的信號(hào)，這時(shí)擋停會(huì)對(duì)不合格零件實(shí)施自行放行，直至將問(wèn)題零件送到返修的工位。待返修人員將問(wèn)題零件進(jìn)行返修并重新上線進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后才能夠進(jìn)行下一步操作，這樣一來(lái)就很大程度上保證了最終裝配的質(zhì)量。

（一）在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷卡環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在其運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)油的燃燒會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室產(chǎn)生巨大的高壓高溫氣體，這些氣體會(huì)直接作用于活塞的頂部，然后再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的活塞銷孔不斷地向連桿傳送力矩。為了保證在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，活塞銷不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)，在對(duì)活塞進(jìn)行分裝時(shí)，首先需要做的就是將活塞銷裝入活塞孔中，然后還需要將活塞銷卡環(huán)按要求安裝在鎖環(huán)槽內(nèi)。傳統(tǒng)的檢測(cè)活塞安裝是否出錯(cuò)的方式有二維拍照檢測(cè)或者直接使用接觸式測(cè)量，但是由于活塞的裝配環(huán)境非常的變幻無(wú)常而且很復(fù)雜，因此這種傳統(tǒng)的試錯(cuò)方式很難保證完全識(shí)別所有的裝配錯(cuò)誤問(wèn)題。

采用三維掃描技術(shù)檢測(cè)活塞時(shí)，三維掃描儀可以在活塞卡簧的安裝部位投射光線，這時(shí)兩臺(tái)CCD相機(jī)可以在該部位同步進(jìn)行拍照，將圖像采取后在通過(guò)頭像采集卡對(duì)圖像進(jìn)行處理，最后再與標(biāo)準(zhǔn)安裝視圖進(jìn)行全方位對(duì)比。這樣一來(lái)就可以有效解決活塞的配置問(wèn)題，最終保證配置質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)盾構(gòu)管片模具進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，利用三維激光掃描技術(shù)可以生成3D色譜偏差圖，通過(guò)偏差圖工作人員可以非常直觀的對(duì)模具實(shí)際的偏差情況進(jìn)行標(biāo)注，不僅可以避免傳統(tǒng)檢測(cè)方式的缺點(diǎn)，還可以對(duì)盾構(gòu)管片的模具修復(fù)有著準(zhǔn)確的指導(dǎo)作用，因此驗(yàn)證了在盾構(gòu)管片模具的檢測(cè)及修復(fù)時(shí)，三維激光掃描技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)以及可行性。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校）