手持式三维激光扫描仪在工业构件质量检测中的应用

李 毅，徐 超，廖开星，赵洪瑶

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

工业测量以工业产品或其零部件的几何量为测量对象，采用多种测量理论、方法和设备进行精密三维空间测量，主要为工业产品的制造、安装、质量检测及仿真建模等服务[1]。三维激光扫描是近十几年来迅速发展的一种新的测量技术，是继GPS之后测绘领域的又一次技术革命，被广泛应用于土木[2]、建筑[3]、文物保护[4- 5]等领域。同样，在工业测量方面，三维激光扫描技术有着传统测绘技术无法比拟的优越性，可应用于高效的复杂工业构件质量检测[6]。它通过非接触式的三维激光扫描得到复杂工业构件的表面点云模型，然后利用逆向工程进行三维建模得到构件的三维表面模型，实现工业构件实物的数字化，在数字化的模型上再进行相关的质量检测。如对数字化的工业构件表面圆孔的空间位置和直径进行分析，可检验工业构件的加工精度，也可为其进一步组合安装提供指导[7]。手持式三维激光扫描仪作为一种便携式的三维激光扫描仪，通过手持移动扫描来获取工业构件的点云数据，其自定位功能能够在扫描过程中对被扫描对象进行自动配准，大大提高了测量工作的效率[8]。手持式扫描仪测量速度快，测量精度高，非常适合对结构复杂的工业构件进行三维建模，在工业构件的质量检测中有着广阔的应用前景[9- 10]。

1 手持式三维激光扫描仪工业构件检测方法

利用手持式三维激光扫描仪检测工业构件的质量主要分为前期准备、数据采集和数据处理3个步骤。

1.1 前期准备

手持式三维激光扫描仪的测量误差主要是由仪器、扫描目标及环境引起的误差[11]。仪器的影响主要包括扫描仪内部的CCD接收器、光学部件及发射的激光强度与激光光斑形状的影响。扫描目标的影响主要为扫描目标的颜色、表面粗糙程度及相对于扫描仪倾斜程度等。环境的影响则包括扫描仪工作时周围环境的温度、湿度、气压等因素。因此，为保证测量精度，需进行一些前期准备工作。

1.1.1 扫描环境的建立

由于温度、湿度、气压等会影响激光的形状及传播路径，造成接收器接收到信号的变化，使得扫描数据产生偏差。因此在对工业构件进行三维扫描之前须构建稳定的扫描环境，如恒定的温度、湿度，并避免强光和逆光对射等，保证三维扫描结果不受外部环境因素的影响。

1.1.2 激光扫描仪校准

对手持式三维激光扫描仪进行校准是数据采集前的一项重要工作，扫描仪需要知道自身在什么环境下进行扫描，才能扫描出准确的三维数据。校准方法一般按照设备制造商的说明严格进行，仔细校正不准确的三维数据。校准后，可通过扫描仪扫描已知三维数据的测量物体来检查比对，若发现扫描仪的精度无法实现，需要重新校准扫描仪。

1.1.3 扫描目标表面处理

有些工业构件表面对激光反射较强，抑或颜色较暗，使得直接扫描比较困难，此时需要对构件着色，增强构件表面的漫反射，便于扫描仪更好地扫描出目标的三维特征。着色剂的喷施需要均匀，不可太薄或太厚，太薄会影响最终点云数据的完整程度，太厚不仅会覆盖掉一些细节特征，还会增大构件的外形。

手持式三维激光扫描仪一般具有自定位功能，无需其他外部跟踪装置即可自动拼接完成扫描工作，而这主要通过在工业构件表面粘贴定位靶标来实现。对于常规尺寸的工业构件，可在各个面上直接粘贴定位靶标，以满足扫描仪完成全方位扫描的要求。若工业构件不能贴足够的定位靶标，则需要增加辅助板面来完成扫描工作，即在辅助板面上按照规则均匀贴满定位靶标再通过手持式三维激光扫描仪对构件进行全方位的扫描。

1.2 数据采集

前期准备工作完成之后即可对工业构件进行扫描。利用手持式三维激光扫描仪对构件从不同的角度进行三维数据捕捉或更改构件的摆放方式对其进行全方位的扫描。为确保扫描仪达到最佳的扫描状态，一般扫描仪的激光发射器应与工业构件表面保持大致恒定的距离。扫描时一般从曲率变化较小的面开始，当一个面扫描完成转至相邻面时，为便于扫描仪实现自动拼接，必须在扫描范围之内保证一定数量的定位靶标。完成整个构件大部分的数据点之后，即可开始对细节处进行扫描，为达到较好的扫描效果，对构件细节部分一般需进行多角度和长时间的扫描。

1.3 数据处理

扫描得到的原始点云数据，需要首先经过点云数据处理，才能在其基础上进行相应的构件质量检测。

1.3.1 点云处理

目前主流的手持式三维激光扫描仪均能够实现点云的自动拼接，无需后期手动拼接，即对构件表面扫描完成之后，系统能够自动生成构件的三维点云图形。但为了得到完整的、高质量的、可用的点云数据，还需对点云数据进行过滤、去噪、平滑、精简及上色等操作。点云数据处理完成之后，为了与通用的三维软件进行对接，有时还需要进行数据转化操作。

1.3.2 几何质量检测

对于工业构件的质量检测，由于工业构件的尺寸大小、结构特点、精度要求及检测设备等不同，具有不同的形位误差检测原则。对于点云数据，一般采用理想要素比较原则和比较特征参数原则，即将点云模型与设计的理想模型的特征点相比较来评定误差[12]。为获取点云模型的特征数据，需要根据工业构件的特点对点云数据进行曲面拟合[13]。曲面方程的参数描述了曲面的性质，可以假设曲面的标准参数方程为

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

(1)

式中，t=(t1,t2,…,tm)为曲面参数。若扫描得到了该曲面上离散数据点(xi,yi,zi)，i=1,2,…,n,由于扫描点存在观测误差，可以根据最小二乘原理，通过使误差的平方和最小得到曲面参数。对于工业构件来说，常用的拟合曲面包括平面、球面及圆柱面等[14]，相应的曲面方程如下

ax+by+cz+1=0

(2)

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

(3)

x2+y2+z2=R2+z2

(4)

拟合得到所选曲面的曲面参数后，即可展开相关特征参数如孔径等的检测。若需要与设计理想模型的空间位置进行对比，则还需进行坐标转换[15]，即通过平移、旋转和缩放将测量坐标系下的点云数据坐标转换到设计模型的设计坐标系下，这主要通过选择两个坐标系下的公共特征点来求取转换参数实现。

2 案例分析

本次测量采用的是Creaform公司的HandySCAN 700手持式三维激光扫描仪。如图1所示，该扫描仪主要应用于工业构件质量检测及要求比较严格的逆向工程中。主要性能指标见表1。

主要参数扫描范围275mm×250mm测量速率480000次测量/s分辨率0.05mm精度高达0.03mm基准距300mm部件尺寸范围(建议)0.1～4.0m重量0.85kg尺寸122mm×77mm×294mm操作温度0～40°操作湿度10%～90%非冷凝

在利用HandySCAN 700手持式三维激光扫描仪对构件进行扫描之前，构建了稳定的工作平台，在平整的桌面上随机粘贴上专用的圆形定位靶标，如图2(a)所示，同时为待测工件贴上定位靶标，如图2(b)所示，在工件表面粘贴圆形靶标时尽量保证其不在一条直线上。所粘贴的定位靶标主要用来辅助扫描仪自动拼接生成三维模型。

准备工作完成之后，利用HandSCAN 700自带的VXelements软件辅助数据采集进行实时三维建模。在软件中首先对手持激光扫描仪的相关参数(如快门、解析度等)进行调整，初步扫描采用多线模式，通过软件实时查看扫描的工件结果，对圆孔内表面等细节则尽可能地采集更多的点，如仍有部分位置孔洞较大，可换用单线激光模式补充测量。最终扫描得到的工件的三维模型如图3所示。

此次主要检测该工件表面圆孔的直径及空间位置，通过扫描得到工件的三维点云数据后，导入三维数据处理软件Polyworks中进行相关特征的创建及数据测量工作。在Polyworks中为生成的工件模型创建3个相邻的平面特征建立坐标系，对于工件表面的圆孔特征数据通过其内表面点进行圆柱拟合创建圆柱特征，从而可以得到圆孔的直径信息。对于圆孔的空间位置，选择各圆孔所在工件平面上的点拟合平面特征，然后由拟合的圆柱的中轴线跟平面相交得到该圆孔表面圆的圆心坐标。该工件表面各圆孔对应的圆柱特征命名如图4所示，得到对应的表面圆孔特征测量数据见表2。

为了检验点云数据拟合计算得到的圆孔直径的精度，利用千分尺(精度为0.01 mm)对工件表面各圆孔的直径进行了实际测量，其测量结果见表2，x、y、z为各圆柱对应圆孔表面圆的圆心坐标。通过对比，点云数据拟合得到的各圆孔的直径与千分尺测量得到的直径之差均保持在0.02 mm以内，验证了利用HandySCAN 700手持式三维激光扫描仪获取工件的特征数据的精度。同时，若有该工件的设计模型数据，则可通过公共点将点云数据拟合得到各圆孔表面圆的圆心坐标转换到设计坐标系下，对工件的空间位置等信息进一步进行检测。

表2 工件表面圆孔特征数据 mm

3 结 语

工业构件的质量检测对于我国制造业的发展有着重要意义，手持式三维激光扫描仪突破了对使用空间和环境的制约，能够提高工业构件质量检测的精度和效率并降低成本。本文提出了利用手持式三维激光扫描仪进行工件质量检测的方法，并以实际案例验证了该方法的有效性，为复杂、异形、精度要求较高的工业构件低成本连续检测提供了一种有效的解决途径。