点云数据采集在数字孪生工厂三维建模中的应用

杨茂举 武继新 王海龙 贾广成 于思彬 高原

（1.一汽模具制造有限公司，长春 130000；2.一汽-大众汽车有限公司，长春 130013）

1 前言

通过三维激光扫描仪对焊装生产线进行全方位扫描，获取点云技术扫描数据，对数据处理得到车间的点云模型，利用点云模型对生产线设备进行三维数字化工厂搭建，确定机器人和夹具的位置，准确获取现场3D 数据，并将其应用于调整数字化工厂布局，实现了数字工厂与现实工厂数据的一致性，为焊装生产线改造的工艺模拟仿真验证做好前期必要准备工作。

2 点云数据采集

2.1 点云扫描设备

点云扫描设备分为2 种，一种是大型三维移动扫描测量系统（图1），具有扫描范围大、精度高、易操作、可移动、速度快的优点，单副测量范围为0.6～70 m，测量速率高达488000 点/s，距离精度达到3 mm，工作温度范围-20～50 ℃，设备尺寸为230 mm×183 mm×103 mm。

图1 现场数据采集

另一种是便携式扫描测量系统（图2），具有完全移动自由、质量小、自动对齐调整、测量范围扩展、使用方便、界面友好的优点。扫描区域为275 mm×250 mm，测量速率高达488000 点/s，距离精度达到0.03 mm，工作温度范围0～40 ℃，轻便、小巧，质量只有1.38 kg，可装入随身携带的手提箱，既适用于实验室环境，也可携带至车间使用，无需外部定位系统，也无需使用机械臂、三脚架或工装夹具。

图2 携式扫描仪

2.2 点云扫描步骤

点云数据的采集，处理需要经过一系列的操作步骤，具体如下。

2.2.1 现场扫描测绘

对于焊装生产线点云扫描，需要从多个角度进行无死角扫描。设备固定好后，确定好基准点（图3），自动旋转扫描，只需要1 人操作，省时省力。当设备单幅扫描完毕，设备换下个位置继续扫描[1]。控制网应根据测区内已知控制点的分布、环境结构特点、扫描目标物的分布和精度要求，选定控制网等级并规划控制网的网形；控制点宜选在扫描目标物附近、长期稳固且容易被观察的地方，如厂房立柱、混凝土墙壁等；根据需要，小区域或单体目标物扫描时可不设控制网。

图3 设置基准点

2.2.2 数据拼接

进行单幅扫描完毕之后，需要将数据进行拼接，以得到我们需要的完整的整个点云线体（图4）。根据不同的作业方式，可选择标靶、标靶和控制点结合、公共特征进行点云数据的拼接。

图4 数据拼接

a.使用标靶和公共特征进行数据拼接时，应采用≥3 个同名点建立转换矩阵；

b.相邻两扫描站的公共标靶个数≥3 个（仪器经过严格整平时，≥2 个），拼接后同名点的误差应≤2 mm。

使用控制点与标靶结合拼接应符合下列规定。

a.长距离线型生产线，以20 m 一段分区扫描，每段分区内点云数据按标靶方式拼接形成区域整体点云，各区域整体点云按区域内扫描的控制点分别拼接至控制网坐标系中；

b.短距离和小区域线体扫描，可利用全站仪或其它仪器精确测量标靶坐标作为导向控制，再将各站扫描数据拼接至控制坐标中；

c.结合控制网测量的整体点云误差应≤5 mm[1]。

2.2.3 降噪、轻量化处理

扫描后的点云数据非常大，不利于使用，需要进行降噪处理，达到使用的条件（图5）。点云数据中存在脱离扫描目标物的异常点、孤立点或与目标物无关的点时，应采用滤波和人为方式进行除噪、除杂处理；点云数据抽稀应不影响目标物特征的识别与提取，且抽稀后的最大点间距不得＞6 mm。

图5 点云数据

2.2.4 文件输出

数据处理完毕后（图6），输出POD 格式点云数据，供数字化工厂使用。点云数据输出格式为*.pod，文件以字母或阿拉伯数字命名，Process Simu⁃late（PS）软件不支持中文名称的POD点云；输出经格式转换的点云，其色彩、目标物特征不得失真；避免大点云数据集中加载，工厂点云数据按厂房结构、生产线体分区导出，所有导出的分区点云应保证在同一参考系；根据需要导出局部区域点云数据；所有原始点云数据应保存归档，保证数据完整性。

图6 点云数据

3 数字孪生工厂建模

将生产线所有资源的三维模型导入到Process Simulate 软件中，根据车间现场点云模型，完成数字孪生工厂的建模，然后通过Process Simulate 软件提供的机器人仿真技术、人机仿真技术对关键工位进行仿真和优化，改善工艺方案，改善工作场所的安全状况，提高工作效率，增加产品与工作环境舒适度。

3.1 点云数据导入数字孪生工厂

点云数据导入数字孪生工厂具体导入步骤如下。

a.在后台Sysroot 路径下创建如图7 所示的文件夹路径，将pod 点云数据放在此文件夹下，Point_Cloud 文件夹点云数据为英文名称；

图7 点云存放位置示意

b.在PS 软件中加载点云所在的文件夹，右键选择Load in Standard Mode（图8），进入三维模式；

图8 加载点云文件夹

c.PS 软件中选择Modeling 标签，选择点云，插入点云（图9）。在Point Clouds 文件中即可看到点云数据，在三维窗口中即可观察到点云模型。

图9 插入点云数据

d.插入点云数据包含整个工厂的三维模型，当视角有遮挡时，可以对点云进行编辑（图10），分层处理（图11），处理后操作人员即可根据需要，显示或隐藏自己所需要层级的点云数据。这一功能极大的方便操作人员的建模。

图10 点云编辑处理

图11 点云数据分层

3.2 生产线数据建模

点云数据处理完毕后，在软件Process Simulate中建立起数字孪生工厂生产线模型，其中包含机器人及底座、焊枪、传输设备、安全设备、机器人附属设备、安全设备、抓手夹具、滚床产线设备，用于后续模拟仿真。

a.将机器人及底座、焊枪、传输设备、安全设备、机器人附属设备、安全设备、抓手夹具、滚床产线设备调入PS 三维视图窗口中（图12）；

图12 三维设备数模调入

b.根据点云文件调整所有设备（机器人、夹具、电极修磨器）的位置，将设备位置与点云数据位置高度调整一致，软件中可以精细精准移动（图13）；

图13 数据精准到位

c.根据点云文件，调整PD 数据中资源的位置，方便点云数据与数字孪生工厂高度一致，方便查看；

d.更新所有改动，保存数据（图14）。

图14 保存数据

将生产线所有资源的三维模型导入到Process Simulate 软件中，根据车间点云模型，完成数字化双胞胎工厂的搭建，然后通过Process Simulate 软件提供的机器人仿真技术、人机仿真技术，对关键工位进行仿真和优化，改善工艺方案、改善工作场所的安全状况、提高工作效率、增加产品与工作环境舒适度。至此，可以通过现在常用的数字化工厂，进行数字化虚拟仿真。

4 结束语

本次项目综合运用了点云扫描技术和数字孪生工厂技术，完成了焊装生产线的数字化工厂的搭建和工艺仿真验证，三维数模是建设数字化工厂的基础，所以点云扫描和数字孪生工厂在本次项目中至关重要。

通过激光扫描仪完成焊装车间的全方位扫描，得到车间点云模型是本次项目成功实施的关键，也为今后车间改造打下基础[2]。获得焊装车间的整体点云数据；获得生产线所有资源的三维数模；导入点云数据和三维数模，在Process Simulate 软件中完成焊装车间数字孪生工厂的建模工作；完成焊装车间关键工位的工艺仿真验证和工艺优化。将激光扫描技术应用于生产线三维数字化工厂构建中，成功解决了原来以三维CAD 数据为基础的数字化工厂构建技术不能确保工厂的产品、设备、水电气管及建筑结构构件完整性和准确性的问题。通过点云扫描技术对生产线进行全方位扫描，经过处理得到的点云模型可以用来进行数字孪生工厂的建模，如果有必要可以逆向工装夹具模型。点云数据在数字孪生工厂中得以有效应用。