一种基于激光跟踪的大型结构件自动扫描测量系统

高 瑞， 马 涛， 班永华， 杨羲昊， 武荣国， 张 磊

（特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室， 内蒙古 包头 014032）

0 引言

大型结构件由多个不同厚度板件装焊而成， 整体在空间中呈现为多维度、多面体的一个封闭结构体，焊接过程存在干涉及间隙过大的情况， 通过配切及加垫方式进行处理，导致装焊质量差和效率低；焊接完成后质量难以检测，大批量的焊接并不能够积累可借鉴的经验。究其原因是缺少快速、可靠的测量方式和工具支撑，导致在装焊前对零件的尺寸不了解， 只能在装焊过程中发现干涉及间隙过大问题，再采取相应的解决措施，而大型结构件的焊接质量也未能进行有效评估，很难通过长时间、多台份的数据积累获得焊接质量提升的途径。

大型结构件整体及零件的外形尺寸测量是精准装焊的基础，采用传统的测量方式难以获取三维外形尺寸，受限于大型结构件重量与体积较大， 应用三坐标进行检测的可能性为零。 随着三维激光测量技术应用越来越为广泛， 应用三维激光扫描仪对零件的外形尺寸进行检测应用较为成熟， 而手持式三维激光扫描仪对零件进行检测效率较低，需要在零件表面贴标记点，同时对于外形尺寸较大的零件检测存在着测量拼接误差， 难以满足大批量的生产需求。 扫描仪与跟踪器集成，光笔测量与跟踪器集成可以实现外形尺寸较大的零件快速、高效的检测，同时保证检测精度。 因此，需要引入一套三维激光自动扫描测量系统，补充完善大型结构件智能装焊亟需的核心装备，形成适合特种车辆关键零部件精确测量系统， 满足大型结构件零件精确测量、整体外形尺寸精确测量、焊接变形测量的综合需求。

三维激光扫描技术具有高效率、高精度的独特优势，经过多年的发展，在地形测量、公路测量、桥梁测量、土石方工程、建筑设计、古建筑测量、文物保护、大型建筑监测、灾害监测等方面都有广泛的应用[1]。 目前，国内外均已有运用三维扫描技术进行桥梁检测的研究。 2011 年Liu等[2]通过三维激光雷达对美国泰特公路桥进行数据采集，并运用LiBE 算法测量了桥梁的质量损失。 2018 年Matsumoto K 等[3]提出了一种基于三维空间测量的桥梁整体变形捕获方法， 并采用三维激光扫描仪对缅甸Twantay桥进行空间信息测量。相比之下，虽然三维激光扫描技术在桥梁监测研究在我国的起步较晚， 但已有部分学者也取得了不少应用成果。 其中，2014 年田云峰等[4]利用三维激光扫描采集的点云数据和BIM 模型的对接，分析了基于三维激光扫描和BIM 模型在桥梁质量管理中的可行性和必然性。 2017 年徐进军等[5]将地面三维激光扫描技术应用到桥梁挠度变形测量。

1 测量系统

零件测量系统采用AMETEK 公司的便携式光学CMM测量笔，见图1，和C-Track 光学跟踪器，见图2，组合测量。

三维激光自动扫描测量系统用于大型结构件零件及整体外形尺寸测量， 主要由光学跟踪器、3D 扫描仪、 光笔测量系统及相关软硬件组成。 其中， 光学跟踪器与3D 扫描仪配合完成大型结构件整体外形尺寸测量， 光学跟踪器与光笔测量系统配合完成大型结构件零件外形尺寸测量。

HandyPROB E NextTM 便携式光学三坐标的测量精度不受环境不稳定因素的影响。 无需固定的测量设置，部件、光学跟踪器和无线探头在测量过程中均可随时移动。系统专为车间应用而设计，具有无与伦比的灵活性，测量范围相对其他便携式CMM 更广。

C-TrackTM 光学跟踪器， 它可以实时动态跟踪扫描仪，探头及物体上的标靶点。 C-Track 由高端光学器件构建，保证整个系统实现动态计量级测量，见图3。

图1 便携式光学CMM 测量笔

图2 光学跟踪器C-Track

图3 便携式光学CMM 测量笔和光学跟踪器C-Track 配合使用示意图

3 工艺流程

系统连接（连接C-Track，连接MetraSCAN-R，连接以太网电缆至控制器和计算机，连接控制器电源并开启）→在软件系统VXelements 中激活产品（第一次配置时）→IP地址配置（第一次配置时）→进行C-Track、MetraSCAN-R校准→启动软件系统Vxelements→激活扫描按键开始扫描→激活停止扫描，保存零件扫描数据，进入数据处理软件将零件扫描模型数据与设计模型进行比对，出具误差分布彩图，作为模型修改或者工艺设计改进的依据，见图4。

图4 工艺流程图

4 扫描技术在结构件检测中的应用

应用CMM 扫描测量系统 （MetraSCAN-R 自动化系统）扫描仪对结构件进行检测和分析，可以帮助提升产品质量和优化生产工艺，首先，利用基于C-TRCAK 的自动扫描仪对结构件零件进行扫描，然后，将扫描数据与提前设计好的结构件零件模型进行坐标对齐，通常情况下，坐标对齐都是借助于一些标准的几何特征来完成，如圆孔，槽孔或一些自由曲面等， 通过这些定位基准或者也可在零件图纸或三维模型上自行设定一些基准。

为了应对生产过程中批量检测和工艺控制， 需要对多个零件进行快速的检测和确认， 则需要实现自动的扫描和自动的评估。MetraSCAN-R 3D 扫描仪自动扫描工作图如图5 所示。 MetraSCAN-R 自动化系统可帮助制造企业将光学测量和工业自动化的强大优势直接运用在生产线中， 快速获得精确检测结果， 使质量控制更加简单高效。MetraSCAN-R 与工业机器人配合使用，提高了在线检测和质量控制流程的可靠性、速度和功能多样性。

图5 MetraSCAN-R 3D 扫描仪自动扫描工作图

三维激光自动扫描测量系统由光学跟踪器、3D 扫描仪、光笔测量系统及相关软硬件组成，用于大型结构件零件及整体三维尺寸测量， 解决先进测量技术应用较少导致装焊质量控制缺少基础数据的难题， 后续可进行推广应用。 光笔测量系统与光学跟踪器配合使用对零件关键尺寸进行检测，得到影响装配的零件尺寸值，作为对装配位置调整的依据， 同时也可根据所有零件关键尺寸值的检测做出装配是否满足要求的判定。

3D 扫描仪与光学跟踪器配合使用完成大型结构件外形尺寸测量，3D 扫描仪由自身发射出来的多条十字交叉激光线到物体表面， 再由两侧的相机识别变型后的激光线，进而获取物体表面的三维数据。光学跟踪器实时动态跟踪扫描仪及被测对象上的标靶点， 将坐标系精确地“锁定”到被测对象上，在车间现场环境中实现大型结构件高精度外形尺寸测量。控制器实时存储扫描数据，并将所获取到的数据实时传输给PC 端，而且可通过控制器与机器人进行通讯，可实现机器人自动化测量。

完成坐标对齐后， 就可以计算出每一个扫描点与理论数据的误差， 这些误差数据可以通过误差彩图形式显示。 通过分析误差彩图可以快速而直观地了解实际产品与设计模型之间的误差分布情况， 也可以对部件装配焊接前后进行测量，来分析零件或装配件的变形情况，误差分布图和误差标注图如图6 所示。

图6 误差分布彩图和误差标注图

图7 零件关键尺寸偏差值标注图

通过三维激光扫描系统可以保证空间结构的快速、准确测量，实现各个零件三维尺寸的检测，得到关键零件装配尺寸值，进而为零件是否能够符合装配要求提供数据支撑，为零件成组选配提供途径，为长时间的数据积累提供基础。 通过激光测量系统建立装配过程的全数字化尺寸链，并依据此数字尺寸信息指导装配焊接过程。 通过多台份、长时间的数据积累获得结构件零件制造、整体焊接的基础数据，为结构件焊接质量的提升提供依据及基础。

5 结束语

通过本文提出的高效、 高精度的三维激光自动扫描测量系统采用非接触自动测量方式直接获取高精度三维数据，进而实现大型结构件零件及整体外形尺寸检测，为大型结构件装焊过程提供必要的数据支撑， 不但可以在零件装焊前就明确能否装配合格， 还可以通过成组选配的方式保证制造资源的最优配置， 也能在焊接完成后对整体焊接质量进行检测， 长时间的数据积累有利于对质量提升的摸索。