秦嘉岷, 刁廣州， 饒 靖

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

近幾年，一些大型造船企業(yè)正在不斷推進精度控制技術(shù)及數(shù)字化智能建造技術(shù)的應(yīng)用，但在船體分段/總段合龍時的合攏管，或最終連接設(shè)備的管子，由于誤差累積及建造精度的影響，大量合攏管的實際形狀與原圖紙設(shè)計無法匹配且不能正確安裝，一般的造船企業(yè)目前大多采用在現(xiàn)場應(yīng)用輔助材料制作管子模板，或?qū)︻A(yù)制的合攏管進行現(xiàn)場修割的傳統(tǒng)制作方法進行修正。前者由于采用現(xiàn)場制作模板的方式制作合攏管，船廠每年在材料上就需投入約50萬元，還浪費大量的動力能源和人力資源[1]；后者由于預(yù)制管是按原先設(shè)計圖加工的，管子形狀雖然大致相同，但管子的相對坐標與現(xiàn)場空間的相對坐標基本完全不同，有的可以現(xiàn)場修割，完成管子與法蘭的校準后再下船完成焊接工作，有的則可能無法修割而需要重新制作管子，同樣造成大量的返工及人力、材料的損耗，并且均須在現(xiàn)場配置動力能源。目前也有少數(shù)幾家大型的造船企業(yè)正在應(yīng)用新的合攏管制作工藝，即采用拉線傳感技術(shù)現(xiàn)場測量合攏管空間坐標，此方法相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場制作模板或現(xiàn)場修割的方法進步了許多，但由于拉線傳感測量技術(shù)存在一定的局限性，目前只能適用于法蘭連接的合攏管測量，無法滿足套管和對接連接形式的合攏管測量，并且如果在拉線中間存在障礙物或測量區(qū)域管子密集，由于不能安裝裝置從而無法測量，所以應(yīng)用拉線傳感技術(shù)僅能完成約60%的法蘭連接合攏管測量工作，余下的40%還是只能依靠傳統(tǒng)的現(xiàn)場制作模板或現(xiàn)場修割的方法。開發(fā)應(yīng)用激光3D掃描測量技術(shù)的合攏管測量系統(tǒng)，能滿足法蘭、套管及對接等各種連接形式的合攏管測量要求，在船舶合攏管制作過程中實現(xiàn)全面提升精度和效率、節(jié)約材料、減少工時、降低能耗等目的。

1 船舶合攏管激光3D測量系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 總體思路

隨著3D激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，其在逆向工程、工業(yè)測量、文物保護等眾多領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用[2-4]。針對船舶管子密集艙室里的合攏管和套管連接形式的合攏管難以測量的問題，應(yīng)用激光三角法測量原理，使激光器發(fā)出的光與被測面的法線成一定角度入射到被測面上，同時利用光電探測器接收激光在被測面上的散射光或反射光，根據(jù)其在光電探測器敏感面上的移動距離，即可得到物體表面被測點的三維坐標。因此，應(yīng)用激光3D掃描技術(shù)解決合攏管的測量問題成為可能，本文主要討論應(yīng)用激光3D掃描技術(shù)研發(fā)合攏管激光3D掃描測量系統(tǒng)。激光3D掃描系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 激光3D掃描系統(tǒng)組成

目前，國內(nèi)激光3D掃描設(shè)備眾多，國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比除掃描速度有差異外，在掃描精度、穩(wěn)定性等性能上均相差不多，所以國產(chǎn)激光3D掃描設(shè)備主要硬件能滿足合攏管測量要求。因此，采用國產(chǎn)手持式激光3D掃描設(shè)備。

通常，激光3D掃描設(shè)備對某一成品進行掃描，獲取成品的三維數(shù)據(jù)，基于三維數(shù)據(jù)直接進行建模設(shè)計。船舶合攏管激光測量與常規(guī)的3D掃描測量零部件有所不同，待合攏法蘭或套管等零件的中間是一個空白空間或存在其他的障礙物，需要測量的是兩端待合攏法蘭或套管等的空間位置信息，從而通過空間位置信息計算合攏管的模型及所需特征點坐標，經(jīng)合攏管專用軟件進行特征點的全面分析及逆向計算，生成合攏管三維模型及合攏管加工圖?？傮w設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計思路

1.2 設(shè)計原理

1.2.1 合攏管測量的關(guān)鍵信息

常規(guī)激光3D掃描測量過程是首先在被掃描物上粘貼標記點，要求標記點的粘貼間距約在200～250 mm，掃描后經(jīng)自帶軟件進行點云計算，從而得到掃描件的模型及尺寸。在整個過程中大部分時間均花費在標記點的粘貼及清除上，掃描后的最終結(jié)果就是零件三維模型的輸出。應(yīng)用激光3D測量儀進行合攏管的測量，有其特殊的信息要求，測量的關(guān)鍵信息如下：

(1) 法蘭或套管中心點的空間坐標。在實際環(huán)境中，法蘭或套管中心點是虛擬的，無法直接測量，需要通過獲取所測點的信息分析得出。

(2) 2個法蘭或套管中心點的相對坐標，即所測合攏管x、y、z等3個空間坐標值。由于采用的是移動式激光3D掃描測量，須將當前視下局部坐標系下掃描的點云轉(zhuǎn)換到世界坐標系下，因此被掃描物須依靠一組連續(xù)的標記點構(gòu)建2個法蘭中心點相對坐標的數(shù)學(xué)模型。

(3) 法蘭面或套管端面的矢量。待法蘭或套管等中心點確定后，需得知法蘭面或套管端面的空間定向，才能確定此法蘭在空間的定位，保證后續(xù)安裝時合攏管的法蘭與現(xiàn)場待合龍的法蘭平面相吻合。

(4) 如是法蘭連接的合攏管，還需測得法蘭螺孔的空間坐標。合攏管安裝時，不僅要求2個連接法蘭面的吻合，還需所有的法蘭螺孔對齊，才能保證正確安裝且符合工藝要求。

1.2.2 激光3D掃描測量的特征點

特征點是合攏管計算所需要的關(guān)鍵點信息，需要從一堆毫無規(guī)律的點云數(shù)據(jù)中找出特征點。設(shè)計思路是將每1個特征點設(shè)計成1組有一定規(guī)律分布的標記點，并將每1組的特征點設(shè)計成1個能夠裝配在螺孔上的裝置。將1個法蘭上安裝3個以上的特征點裝置，形成3點或多點空間共圓的狀態(tài)，求得螺孔特征點所對應(yīng)的圓心，即法蘭的中心點位置坐標，從而獲得合攏管的三維數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成及軟件實現(xiàn)技術(shù)指標

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計開發(fā)的船舶合攏管激光3D掃描測量出圖系統(tǒng)由測量硬件、計算軟件等2部分組成(見圖3)。系統(tǒng)硬件由激光3D測量儀、標記特征點裝置、專用標記桿、終端機組成；系統(tǒng)軟件由合攏管分析軟件、合攏管工藝數(shù)據(jù)庫及出圖軟件組成。

圖3 系統(tǒng)組成

2.1.1 硬件

(1) 激光3D測量儀。采用國產(chǎn)X5激光3D掃描儀。

(2) 特征點裝置。研發(fā)設(shè)計等距、等角分布的特征點標記，根據(jù)合攏管法蘭規(guī)格大小，可以自由設(shè)置3個或多個特征點裝置，便于軟件在分析點云數(shù)據(jù)時識別特征點的中心坐標值。

(3) 折疊標記桿。常用的3D拍照或3D掃描均需在被攝區(qū)域粘貼大量的標記點，在有些復(fù)雜的測量環(huán)境中存在著無法粘貼標記點的問題。采用折疊標記桿可以替換現(xiàn)場粘貼的標記點，并可大量減少掃描的點云數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場的操作效率和計算效率。

(4) 終端的操作系統(tǒng)為WIN 7，系統(tǒng)操作平臺AutoCAD 2014。

2.1.2 軟件

(1) 分析軟件包括特征點分析軟件和合攏管計算軟件。從激光3D掃描測量儀獲得的點云數(shù)據(jù)中，分析點云數(shù)據(jù)中特征點的分布狀況，找出特征點的相互空間坐標數(shù)據(jù)信息；合攏管計算軟件，依據(jù)特征點的坐標信息，結(jié)合系統(tǒng)中的管子工藝數(shù)據(jù)庫，自動繪制管子走向及管子三維模型。

(2) 工藝數(shù)據(jù)庫為合攏管制作的標準工藝數(shù)據(jù)庫，包含船廠的管子彎管及制作的工藝要求及管附件的標準信息。

(3) 出圖軟件。依據(jù)管子走向模型數(shù)據(jù)及管子工藝數(shù)據(jù)庫，自動生成合攏管的管子加工圖及加工工藝信息。

2.2 系統(tǒng)計算原理

2.2.1 系統(tǒng)計算原理

本系統(tǒng)采用的激光3D掃描設(shè)備由上下2個視相機同時進行特征點掃描，考慮到掃描儀進行多次掃描時各圖像參數(shù)不在同一坐標系下，本文提出一種圖像分組的外參數(shù)求解方法，對各掃描點的公共點進行圖像參數(shù)絕對定向，其原理是當掃描2個以上視角時，利用2個視下三維點之間的轉(zhuǎn)換矩陣推導(dǎo)出各個視相機在世界坐標系下的投影矩陣，即實現(xiàn)絕對定向。其步驟如下：

(1) 設(shè)計圖像分組方法。假定掃描結(jié)束后，存在m幅圖像，n個參考點，構(gòu)建公共點測量矩陣，Aij表示第i幅圖像和第j幅圖像的公共點個數(shù)。

(2) 確定第1組基準圖像，計算矩陣A每行的個數(shù)，得到向量B，B(i)表示能與第i幅圖像構(gòu)成雙視圖像的數(shù)量，k1為B中最大值對應(yīng)的序號。

(3) 確定第2幅基準圖像，k2為向量B中第2大值的序號，則第k2幅圖像為基準圖像。

(4) 完成圖像分組及圖像參數(shù)求解后，將圖像1參數(shù)所在的坐標系統(tǒng)映射到全局坐標系中，假定第1視下三維點所在的坐標系為O1x1y1z1，左右相機投影矩陣為M1和M2，

(1)

相應(yīng)的像點為(ui,vi)，i=1，2,投影后2個矩陣坐標關(guān)系為

[x2,y2,z2,1]T=P21·[x1,y1,z1,1]T(2)

式中：P21為M1和M2之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

假定第2視下三維點所在的坐標系為O2x2y2z2，左右相機投影矩陣為M3和M4，

(3)

相應(yīng)的像點為(ui,vi)，i=3,4,投影后2個矩陣坐標關(guān)系為

[x3,y3,z3,1]T=P43·[x4,y4,z4,1]T(4)

式中：P43為M3和M4之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

(5) 將式(1)和式(2)代入式(3)，可得

(5)

(6) 由式(5)可計算得到第2次掃描2個圖像在坐標系O1x1y1z1下的投影矩陣M3′和M4′，分別為

M3′=M3·P21

M4′=M4·P43

從而實現(xiàn)2次掃描4幅圖像外參數(shù)的絕對定向[4]。

在上面的推導(dǎo)過程中，投影矩陣可以通過標定相機計算得到。根據(jù)拼接方式不同，2個視之間的轉(zhuǎn)換矩陣的計算方法不同[5]。

2.2.2 軟件實現(xiàn)

運用C#語言開發(fā)編程軟件，依據(jù)點云數(shù)據(jù)中設(shè)置的特征點的特征，求得特征點坐標及相對空間位置，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的工藝信息自動生成合攏管的三維模型及管子加工信息、加工圖等功能。

3 技術(shù)指標

3.1 主要技術(shù)指標

主要技術(shù)指標如下：

(1) 系統(tǒng)設(shè)計采用國產(chǎn)激光3D掃描測量設(shè)備，適合各種復(fù)雜環(huán)境的測量工作；

(2) 系統(tǒng)最終測量精度誤差小于0.5 mm，法蘭螺孔偏差0.3°以內(nèi)；

(3) 系統(tǒng)滿足各種法蘭連接的合攏管測量；

(4) 系統(tǒng)滿足各種套管或?qū)舆B接的合攏管測量；

(5) 軟件計算設(shè)計的合攏管形狀為最多2個彎；

(6) 系統(tǒng)測量空間長度按標記桿設(shè)定為300～2 000 mm，測量長度視標記桿設(shè)計長度而定；

(7) 數(shù)據(jù)庫格式為SQLiteStudio，系統(tǒng)包含了管子附件標準庫、管子坐標圖形等數(shù)據(jù)庫。

3.2 應(yīng)用試驗

本文以車間模型架試驗為載體，分別制作了不同規(guī)格、不同形狀的現(xiàn)校管模型架(見圖4)，管子規(guī)格以DN80、DN100為例，選取的法蘭為常用的GB 2506標準法蘭。

圖4 掃描測量合攏管模型

將特征點裝置分別安裝在2端模型架上，2端模型架用折疊標記桿掛靠連接，激光3D掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 掃描測量點云圖

軟件分析得到特征點坐標，經(jīng)軟件計算后生成合攏管模型(見圖6)及管子工藝數(shù)據(jù)，并生成現(xiàn)校管的管子加工圖，如圖7所示。

圖6 軟件生成的合攏管模型

圖7 合攏管加工圖

按管子加工圖提供的數(shù)據(jù)信息制作的合攏管與原模型架實際安裝后，2個連接法蘭的螺孔安裝偏差小于0.2°，2個連接法蘭面貼合平行度偏差小于0.5 mm，實際安裝效果如圖8所示，合攏管均一次安裝成功。經(jīng)實際檢驗，合攏管與2端連接管法蘭連接符合《船用管子布置和安裝通用技術(shù)條件》(CB*/Z 345-2005)[6]，滿足船舶建造行業(yè)工藝標準要求。

圖8 合攏管安裝效果

4 結(jié) 論

本文針對船舶合攏管的制作現(xiàn)狀，提出并設(shè)計了1種船舶合攏管激光3D掃描測量系統(tǒng)設(shè)計方案，闡述了設(shè)計思路、基本原理、系統(tǒng)組成、軟件實現(xiàn)等內(nèi)容，通過樣機的試驗及應(yīng)用取得了較好效果，得出結(jié)論如下：

(1) 本文設(shè)計的船舶合攏管激光3D掃描測量系統(tǒng)，測量不受環(huán)境及空間的影響，測量精度相比于常規(guī)的拉線傳感測量精度有極大的提高，實現(xiàn)合攏管一次裝運上船安裝成功，達到節(jié)約材料、減少工時、提高精度、降低能耗等目的。

(2) 本文建立的合攏管標準數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括所有常用管徑類型、標準法蘭、套管、對接等信息，能夠同時滿足多批次不同合攏管測量制作的需求，合攏管制作符合船舶建造的行業(yè)工藝標準(CB*/Z 345-2005)要求。

(3) 船舶合攏管激光3D測量系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了法蘭連接、套管連接及對接連接合攏管測量的全覆蓋，徹底改變了落后的傳統(tǒng)工藝方法。