基于激光三维扫描的旋回破碎机衬板测量方法及其应用

田振华，刘 俊，王跃辉，杜自彬，赵 虎，朱成睿

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

旋回破碎机是一种矿石粗碎设备，主要工作原理是利用动锥在内腔中的旋回运动来进行物料的挤压、破碎[1]。旋回破碎机用于矿山系统的粗碎工段，矿石的体积较大，衬板磨损消耗较大，需要经常更换。目前矿山企业都是基于经验对衬板进行定期更换，这会造成衬板更换不及时，或者衬板寿命的浪费。由于衬板尺寸大，磨损面不规则，因此如何科学地对衬板磨损进行评估测量，进而可以计算衬板的寿命是目前需要解决的关键问题。

笔者提出了一种基于三维激光扫描、对旋回破碎机定锥和动锥衬板进行测量的方法，测量过程中不需要拆卸衬板，只需使用三维激光扫描仪进行扫描，对生成的点云数据进行处理分析即可[2]。此方法可量化衬板磨损数值，为矿企的备品备件计划提供数据支持。

1 三维激光扫描仪及现场应用

1.1 FARO 三维激光扫描仪简介

采用 FARO 三维激光扫描仪对旋回破碎机衬板进行扫描。三维激光扫描仪能够快速、精确地获取复杂物体和建筑物的测量结果。仪器配备触摸屏，能对亮度急剧变化下捕捉的扫描数据进行自然的颜色叠加，扫描完毕后生成点云数据存储在配套的存储卡中[3]。三维激光扫描仪如图 1 所示。

图1 FARO 三维激光扫描仪Fig.1 FARO 3D laser scanner

1.2 现场扫描步骤

本次扫描以某钼业公司的旋回破碎机为例进行阐述。

1.2.1 设置标靶球

标靶球为 FARO 公司提供的白色球体，底部有磁座，可吸附在钢件上，用于对分批次扫描的结果进行空间点云数据的定位。要求每次扫描必须有 3 个以上标靶球出现在扫描视野中[4]。

现场共使用了 10 个标靶球，均匀吸附在旋回破碎机四周锚固的钢板上，如图 2 所示。

图2 FARO 标靶球分布Fig.2 Distribution of FARO target ball

1.2.2 设置扫描参数

扫描距离 ＞ 10 m，扫描垂直角度为 -60°～ 30°，扫描水平角度为 0°～ 120°，共对破碎机 5 个方位扫描5 次。

2 点云数据处理

2.1 点云数据拼接拟合

由于分 5 次从不同的方位对破碎机进行扫描，需要将这 5 次点云数据进行数据拼接拟合，才能生成整个破碎机完整的三维点云数据。

使用 FARO 软件对点云数据进行拼接拟合。首先将 5 次点云数据导入到软件中，然后设置拟合参数，经过计算机运算后即可得到完整的点云数据，如图 3所示。

图3 拼接拟合后的完整点云数据Fig.3 Complete point cloud data after splicing and fitting

图3 是完整的点云数据，但很多数据是不需要的，可裁剪去除，图 4 是裁剪后的点云数据。

图4 裁剪后的点云数据Fig.4 Cropped point cloud data

2.2 生成符合测量要求的点云数据

软件生成的点云数据还需要进一步处理，才能与三维实体模型 (衬板原始尺寸) 进行比对，计算出磨损值，具体处理步骤为：设置采样率，处理边界，去除体外孤点，去除噪声数据[5]。

扫描的目的是为了进行衬板磨损值的测量，无关的点云数据可以去除。因为衬板是安装在定锥、动锥上的，所以最终只需处理定锥、动锥及衬板的点云数据即可，如图 5 所示。

图5 衬板、定锥、动锥点云数据Fig.5 Point cloud data of liner,fixed cone and moving cone

3 衬板磨损测量

(1) 将定锥、动锥及衬板点云数据和三维实体模型 (衬板原始尺寸) 一起导入到点云数据处理软件中。

(2) 在软件中分别对点云数据和三维实体模型建立圆锥轴线、平面等定位特征。该软件的使用方法类似于常见的三维软件 (SolidWorks、Inventor 等)，可以方便地建立这些定位特征。

(3) 进行点云数据和三维实体模型的拟合。将三维实体模型的圆锥轴线与点云数据的圆锥轴线重合，再将三维实体模型的平面与点云数据相对应的平面重合，即可完成拟合，如图 6 所示。

图6 点云数据与三维实体模型的拟合Fig.6 Fitting of point cloud data and 3D solid model

(4) 使用 2D 截面进行衬板磨损的位置选取，如图7 所示。然后进行磨损值的计算，如图 8 所示。图 8中实线轮廓是三维实体模型的轮廓线，点云数据区域在实线轮廓以内，表示衬板已经磨损，通过鼠标选取位置，可以计算出准确的磨损值，并生成报告。

图7 位置选取的 2D 截面Fig.7 2D section of selected position

图8 衬板磨损测量结果Fig.8 Measurement results of liner wear

由图 8 可知，最大磨损值为 126.602 1 mm，定锥上的衬板磨损较为均匀，动锥上的衬板磨损不对称。通过不同时间的数据采集，可以做出衬板磨损曲线，并根据曲线拟合出公式，进而计算出需要更换衬板的时间。

4 结语

通过使用三维激光扫描仪采集点云数据，并对点云数据进行处理、分析，可以准确计算出旋回破碎机的衬板磨损值。这种方法不仅能够避免在破碎机里用尺子进行人工测量的危险性，实现了非接触测量，并且通过多次、不同时间的点云数据的采集和分析，可以做出衬板磨损曲线，通过拟合这些曲线生成公式，即可计算出衬板需要更换的时间，可为矿企的备品备件计划提供数据支持，具有一定的参考应用价值。