高 瑞， 馬 濤， 班永華， 楊羲昊， 武榮國(guó)， 張 磊

（特種車(chē)輛及其傳動(dòng)系統(tǒng)智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014032）

0 引言

大型結(jié)構(gòu)件由多個(gè)不同厚度板件裝焊而成， 整體在空間中呈現(xiàn)為多維度、多面體的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)體，焊接過(guò)程存在干涉及間隙過(guò)大的情況， 通過(guò)配切及加墊方式進(jìn)行處理，導(dǎo)致裝焊質(zhì)量差和效率低；焊接完成后質(zhì)量難以檢測(cè)，大批量的焊接并不能夠積累可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。究其原因是缺少快速、可靠的測(cè)量方式和工具支撐，導(dǎo)致在裝焊前對(duì)零件的尺寸不了解， 只能在裝焊過(guò)程中發(fā)現(xiàn)干涉及間隙過(guò)大問(wèn)題，再采取相應(yīng)的解決措施，而大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量也未能進(jìn)行有效評(píng)估，很難通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多臺(tái)份的數(shù)據(jù)積累獲得焊接質(zhì)量提升的途徑。

大型結(jié)構(gòu)件整體及零件的外形尺寸測(cè)量是精準(zhǔn)裝焊的基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式難以獲取三維外形尺寸，受限于大型結(jié)構(gòu)件重量與體積較大， 應(yīng)用三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的可能性為零。 隨著三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越為廣泛， 應(yīng)用三維激光掃描儀對(duì)零件的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用較為成熟， 而手持式三維激光掃描儀對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)效率較低，需要在零件表面貼標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于外形尺寸較大的零件檢測(cè)存在著測(cè)量拼接誤差， 難以滿足大批量的生產(chǎn)需求。 掃描儀與跟蹤器集成，光筆測(cè)量與跟蹤器集成可以實(shí)現(xiàn)外形尺寸較大的零件快速、高效的檢測(cè)，同時(shí)保證檢測(cè)精度。 因此，需要引入一套三維激光自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)，補(bǔ)充完善大型結(jié)構(gòu)件智能裝焊亟需的核心裝備，形成適合特種車(chē)輛關(guān)鍵零部件精確測(cè)量系統(tǒng)， 滿足大型結(jié)構(gòu)件零件精確測(cè)量、整體外形尺寸精確測(cè)量、焊接變形測(cè)量的綜合需求。

三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在地形測(cè)量、公路測(cè)量、橋梁測(cè)量、土石方工程、建筑設(shè)計(jì)、古建筑測(cè)量、文物保護(hù)、大型建筑監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面都有廣泛的應(yīng)用[1]。 目前，國(guó)內(nèi)外均已有運(yùn)用三維掃描技術(shù)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的研究。 2011 年Liu等[2]通過(guò)三維激光雷達(dá)對(duì)美國(guó)泰特公路橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并運(yùn)用LiBE 算法測(cè)量了橋梁的質(zhì)量損失。 2018 年Matsumoto K 等[3]提出了一種基于三維空間測(cè)量的橋梁整體變形捕獲方法， 并采用三維激光掃描儀對(duì)緬甸T(mén)wantay橋進(jìn)行空間信息測(cè)量。相比之下，雖然三維激光掃描技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)研究在我國(guó)的起步較晚， 但已有部分學(xué)者也取得了不少應(yīng)用成果。 其中，2014 年田云峰等[4]利用三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM 模型的對(duì)接，分析了基于三維激光掃描和BIM 模型在橋梁質(zhì)量管理中的可行性和必然性。 2017 年徐進(jìn)軍等[5]將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到橋梁撓度變形測(cè)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)

零件測(cè)量系統(tǒng)采用AMETEK 公司的便攜式光學(xué)CMM測(cè)量筆，見(jiàn)圖1，和C-Track 光學(xué)跟蹤器，見(jiàn)圖2，組合測(cè)量。

三維激光自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)用于大型結(jié)構(gòu)件零件及整體外形尺寸測(cè)量， 主要由光學(xué)跟蹤器、3D 掃描儀、 光筆測(cè)量系統(tǒng)及相關(guān)軟硬件組成。 其中， 光學(xué)跟蹤器與3D 掃描儀配合完成大型結(jié)構(gòu)件整體外形尺寸測(cè)量， 光學(xué)跟蹤器與光筆測(cè)量系統(tǒng)配合完成大型結(jié)構(gòu)件零件外形尺寸測(cè)量。

HandyPROB E NextTM 便攜式光學(xué)三坐標(biāo)的測(cè)量精度不受環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響。 無(wú)需固定的測(cè)量設(shè)置，部件、光學(xué)跟蹤器和無(wú)線探頭在測(cè)量過(guò)程中均可隨時(shí)移動(dòng)。系統(tǒng)專為車(chē)間應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有無(wú)與倫比的靈活性，測(cè)量范圍相對(duì)其他便攜式CMM 更廣。

C-TrackTM 光學(xué)跟蹤器， 它可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤掃描儀，探頭及物體上的標(biāo)靶點(diǎn)。 C-Track 由高端光學(xué)器件構(gòu)建，保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)量級(jí)測(cè)量，見(jiàn)圖3。

圖1 便攜式光學(xué)CMM 測(cè)量筆

圖2 光學(xué)跟蹤器C-Track

圖3 便攜式光學(xué)CMM 測(cè)量筆和光學(xué)跟蹤器C-Track 配合使用示意圖

3 工藝流程

系統(tǒng)連接（連接C-Track，連接MetraSCAN-R，連接以太網(wǎng)電纜至控制器和計(jì)算機(jī)，連接控制器電源并開(kāi)啟）→在軟件系統(tǒng)VXelements 中激活產(chǎn)品（第一次配置時(shí)）→IP地址配置（第一次配置時(shí)）→進(jìn)行C-Track、MetraSCAN-R校準(zhǔn)→啟動(dòng)軟件系統(tǒng)Vxelements→激活掃描按鍵開(kāi)始掃描→激活停止掃描，保存零件掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理軟件將零件掃描模型數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，出具誤差分布彩圖，作為模型修改或者工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)的依據(jù)，見(jiàn)圖4。

圖4 工藝流程圖

4 掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)件檢測(cè)中的應(yīng)用

應(yīng)用CMM 掃描測(cè)量系統(tǒng) （MetraSCAN-R 自動(dòng)化系統(tǒng)）掃描儀對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以幫助提升產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，首先，利用基于C-TRCAK 的自動(dòng)掃描儀對(duì)結(jié)構(gòu)件零件進(jìn)行掃描，然后，將掃描數(shù)據(jù)與提前設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)件零件模型進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊，通常情況下，坐標(biāo)對(duì)齊都是借助于一些標(biāo)準(zhǔn)的幾何特征來(lái)完成，如圓孔，槽孔或一些自由曲面等， 通過(guò)這些定位基準(zhǔn)或者也可在零件圖紙或三維模型上自行設(shè)定一些基準(zhǔn)。

為了應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中批量檢測(cè)和工藝控制， 需要對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行快速的檢測(cè)和確認(rèn)， 則需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的掃描和自動(dòng)的評(píng)估。MetraSCAN-R 3D 掃描儀自動(dòng)掃描工作圖如圖5 所示。 MetraSCAN-R 自動(dòng)化系統(tǒng)可幫助制造企業(yè)將光學(xué)測(cè)量和工業(yè)自動(dòng)化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)直接運(yùn)用在生產(chǎn)線中， 快速獲得精確檢測(cè)結(jié)果， 使質(zhì)量控制更加簡(jiǎn)單高效。MetraSCAN-R 與工業(yè)機(jī)器人配合使用，提高了在線檢測(cè)和質(zhì)量控制流程的可靠性、速度和功能多樣性。

圖5 MetraSCAN-R 3D 掃描儀自動(dòng)掃描工作圖

三維激光自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)由光學(xué)跟蹤器、3D 掃描儀、光筆測(cè)量系統(tǒng)及相關(guān)軟硬件組成，用于大型結(jié)構(gòu)件零件及整體三維尺寸測(cè)量， 解決先進(jìn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用較少導(dǎo)致裝焊質(zhì)量控制缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的難題， 后續(xù)可進(jìn)行推廣應(yīng)用。 光筆測(cè)量系統(tǒng)與光學(xué)跟蹤器配合使用對(duì)零件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢測(cè)，得到影響裝配的零件尺寸值，作為對(duì)裝配位置調(diào)整的依據(jù)， 同時(shí)也可根據(jù)所有零件關(guān)鍵尺寸值的檢測(cè)做出裝配是否滿足要求的判定。

3D 掃描儀與光學(xué)跟蹤器配合使用完成大型結(jié)構(gòu)件外形尺寸測(cè)量，3D 掃描儀由自身發(fā)射出來(lái)的多條十字交叉激光線到物體表面， 再由兩側(cè)的相機(jī)識(shí)別變型后的激光線，進(jìn)而獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)。光學(xué)跟蹤器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤掃描儀及被測(cè)對(duì)象上的標(biāo)靶點(diǎn)， 將坐標(biāo)系精確地“鎖定”到被測(cè)對(duì)象上，在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件高精度外形尺寸測(cè)量?？刂破鲗?shí)時(shí)存儲(chǔ)掃描數(shù)據(jù)，并將所獲取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC 端，而且可通過(guò)控制器與機(jī)器人進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化測(cè)量。

完成坐標(biāo)對(duì)齊后， 就可以計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)與理論數(shù)據(jù)的誤差， 這些誤差數(shù)據(jù)可以通過(guò)誤差彩圖形式顯示。 通過(guò)分析誤差彩圖可以快速而直觀地了解實(shí)際產(chǎn)品與設(shè)計(jì)模型之間的誤差分布情況， 也可以對(duì)部件裝配焊接前后進(jìn)行測(cè)量，來(lái)分析零件或裝配件的變形情況，誤差分布圖和誤差標(biāo)注圖如圖6 所示。

圖6 誤差分布彩圖和誤差標(biāo)注圖

圖7 零件關(guān)鍵尺寸偏差值標(biāo)注圖

通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)可以保證空間結(jié)構(gòu)的快速、準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)各個(gè)零件三維尺寸的檢測(cè)，得到關(guān)鍵零件裝配尺寸值，進(jìn)而為零件是否能夠符合裝配要求提供數(shù)據(jù)支撐，為零件成組選配提供途徑，為長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累提供基礎(chǔ)。 通過(guò)激光測(cè)量系統(tǒng)建立裝配過(guò)程的全數(shù)字化尺寸鏈，并依據(jù)此數(shù)字尺寸信息指導(dǎo)裝配焊接過(guò)程。 通過(guò)多臺(tái)份、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累獲得結(jié)構(gòu)件零件制造、整體焊接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量的提升提供依據(jù)及基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文提出的高效、 高精度的三維激光自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)采用非接觸自動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件零件及整體外形尺寸檢測(cè)，為大型結(jié)構(gòu)件裝焊過(guò)程提供必要的數(shù)據(jù)支撐， 不但可以在零件裝焊前就明確能否裝配合格， 還可以通過(guò)成組選配的方式保證制造資源的最優(yōu)配置， 也能在焊接完成后對(duì)整體焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)， 長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累有利于對(duì)質(zhì)量提升的摸索。