基于三维激光扫描技术的船用柴油机管系检测

唐豪，陆龙，杨奋强，张雷雷，冯媛

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713100）

0 引言

船用中速柴油机管系结构多样，空间转角和弯曲角度不尽相同，对于船用中速柴油机复杂空间管件的检测，主要采用传统的划线式检测和工装比对接口的模式，检测时间周期长，并且无法得到精确的测量值；严重影响装机效率和装机质量。相对于传统检测模式，三维激光扫描技术具有高采样率、高精度、高密度、工作周期短等优势，通过大量的点云数据能够准确表达被测对象的空间几何特征[1]。林伟恩等[2]利用三维激光扫描技术准确完整地记录了船体型线空间几何特征信息，降低了船体型线数据处理难度，提高了型线图绘制效率。张远智等[3]利用三维激光扫描技术有效检测出管道的几何变形量，相对于传统的检测技术具有更高的检测精度。查阅相关文献[4-6]，目前三维激光扫描技术对于船用中速柴油机管系检测研究实例较少，所以将三维激光扫描技术引入到船用中速柴油机管系检测中，对提高船用中速柴油机管件检测的效率和管件制作的精准性有着极大的现实意义。本文根据三维激光扫描测量原理对船用中速柴油机管系进行检测，基于获取的点云数据分析了管系的空间尺寸和偏差情况，验证了三维激光扫描技术在船用中速柴油机管系检测领域的可行性。

1 三维激光扫描数据的获取

三维扫描过程中需正确连接设备的各组件，在每次开始扫描之前需对扫描设备进行校准，以保证扫描模型的精度要求。校准完成之后需对设备进行调试，确保被扫描物体在有效扫描区域内，完成以上准备工作后，等待设备预热结束后方可开始扫描。本次扫描采用的是TrackScan跟踪式三维扫描系统，扫描精度为0.025 mm，最高扫描速率为每秒测量1 900 000次，无需贴点就可以完成超高精度动态三维测量。

1.1 扫描环境

三维扫描的过程中要确保是在一个稳定的环境下进行扫描，保证三维激光扫描仪的稳固性和避免强光和逆光的对射，最大程度地减少外部因素对三维扫描结果的影响。

1.2 扫描校准

为扫描出精确的三维模型数据，在扫描前要进行扫描校准，校准过程中要根据三维激光扫描仪预先设置的扫描模式，计算出设备和工件之间的位置距离。校准三维激光扫描仪时，根据工件的尺寸来调整设备系统设置的三维扫描环境。校准完成后，可以通过扫描已知三维数据的测量物体来进行检查比对。

1.3 表面处理

三维扫描对工件表面也有要求，对于半透明材料、光泽性好、颜色较暗的工件需要在工件表面上喷上薄薄的一层显像剂，目的是为了更好地扫描出物体的三维特征，得到更精确的模型数据。但显像剂喷洒过多，会造成物体厚度的叠加，从而影响扫描精度。船用中速柴油机空气进口管的材质为022Cr19Ni10不锈钢，表面涂有防锈漆；能够扫描出物体的三维特征，因此不需要进行表面处理的工作。

1.4 扫描过程

扫描准备工作完成后就可以对工件进行扫描，用三维激光扫描仪对扫描工件从不同的角度进行三维数据的捕捉，对于需要检测的特征要素要全方位完整地进行扫描，通过更改物体摆放方式或调整三维激光扫描仪的设备来完成工件的扫描，直至扫描界面中出现完整的工件模型信息。

2 三维激光扫描数据的处理

扫描完成后的模型需要进行去噪处理和轻量化处理，然后将多次扫描的结果进行合并，才能初步得到完整的扫描模型。在检测软件中导入3D扫描模型数据与原始CAD设计模型，将3D扫描模型与原始CAD设计模型进行对齐处理。创建偏差颜色图谱，并测量尺寸与公差。

2.1 坐标对齐

由于扫描数据的坐标随机性，因此就需要坐标对齐。坐标对齐就是将3D扫描模型的坐标系和原始CAD设计模型的坐标系相统一，这两个坐标系的统一性越高，则建出模型的偏差就会越小，得到的模型质量相对越高。坐标对齐的方式有点线面对齐方式和XYZ对齐方式。点线面对齐方式是分别拾取模型3个不同的特征面作为参考标准进行模型的最佳拟合方式；XYZ对齐方式是以模型的某一特征点作为坐标原点，再选取两个不同的特征面来进行模型的最佳拟合。虽然两种不同的坐标对齐方式都能生成一样的结果，但是点线面的坐标对齐方式更适合回转体类的模型。

2.2 比对评估

完成坐标对齐后，就要对模型进行比对评估，根据不同的公差带范围创建偏差颜色图谱，并完成模型的尺寸测量与公差分析。

3 检测结果与分析

3.1 检测结果

空气进口管的坐标对齐采用XYZ对齐方式，选取空气进口管的一端法兰中心点作为坐标原点，再选取另一端法兰的端面和空气进口管的外表面来进行模型最佳拟合，拟合结果如图1（a）所示。空气进口管的公差带范围为±1 mm，将其偏差颜色设为绿色，模型的公差带范围设为±5 mm，偏差颜色由红色到蓝色渐变，偏差模型结果如图1（b）所示。

图1 空气进口管拟合和偏差模型

根据模型的最佳拟合结果可以看出，空气进口管的第一段弯管处出现了严重的尺寸偏差，最小偏差为-46.0947 mm，最大偏差为38.3630 mm；空气进口管的平均偏差为4.2957 mm，11.0376%的扫描模型在公差带±1 mm的范围内，其余部分均超出空气进口管的公差带范围。

3.2 尺寸测量与偏差分析

将空气进口管的公差带范围调整为±0.1 mm，偏差颜色设为绿色，模型的公差带范围调整为±1 mm，偏差颜色由红色到蓝色渐变，法兰1的端面到法兰2的中心点距离要求尺寸为1500＋1－1mm，实际检测尺寸为1502.5645 mm；法兰2的相位角要求为22.5°，实际检测结果为22.8991°；尺寸测量结果如图2（a）所示。在空气进口管上任取部分点进行分析，所选取的点集中，最小偏差为-27.4678 mm，最大偏差为7.2802 mm，平均偏差为-13.5909 mm。由图2（b）可知，空气进口管前半段主要是正偏差，空气进口管后半段主要是负偏差。

图2 空气进口管尺寸测量和偏差分析

法兰1的中心点到法兰2端面的Z轴方向距离要求尺寸为86.5＋1－1mm，实际检测尺寸为56.1633 mm；尺寸测量结果如图3（a）所示。在法兰2上任取部分点进行分析，所选取的点集中，最小偏差为-27.7865 mm，最大偏差为17.7621 mm，平均偏差为17.5629 mm。由图3（b）可知，法兰2的尺寸偏差导致了法兰1的中心点到法兰2端面的Z轴方向距离要求尺寸与实际检测尺寸之间出现了差异。

图3 法兰2端面尺寸测量和偏差分析

法兰1的相位角要求为10°，实际检测结果为9.3581°；法兰1中心点到法兰2中心点的X轴方向距离要求尺寸为56＋1－1mm，实际检测尺寸为75.7826 mm，尺寸测量结果如图4（a）所示。在法兰1上任取部分点进行分析，所选取的点集中，最小偏差为-1.2162 mm，最大偏差为0.0067 mm，平均偏差为-0.8184 mm；由图4（b）可知，空气进口管在X轴方向的尺寸偏差，使得法兰1中心点到法兰2中心点的X轴方向距离要求尺寸与实际检测尺寸之间出现了差异。

图4 法兰1端面尺寸测量和偏差分析

3.3 检测结果对比

同时采用三坐标测量机和三维激光扫描技术对该空气进口管进行检测，分别得到在不同检测方式下的线性尺寸和法兰相位角结果，如表1所示。

表1 空气进口管检测结果数据表

传统的划线式检测和工装比对接口的模式无法得到精确的测量值，由于人为因素的影响，所得到的检测数据误差较大；通过三维激光扫描技术能够得到精确的检测尺寸结果，检测数据准确，与三坐标测量机的检测结果相吻合。

4 结论

1）根据三维激光扫描检测结果，并结合模型最佳拟合的偏差分析，空气进口管的第一段弯管处和法兰2的端面出现了严重尺寸偏差。2）空气进口管的三维激光扫描结果和三坐标测量机的检测结果基本吻合，但三维激光扫描的检测效率明显优于三坐标测量机。3）使用三维激光扫描技术对于长度短、特征多、空间结构复杂的管件具有检测方便、结果比对直观、可靠的优点；与传统方法相比，提高了管件的检测效率。