袁棲茜 莫龍 薛小強 孫暉

摘? 要：本文采用的Iris是一種非接觸式三維激光掃描投影系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光學(xué)技術(shù)掃描獲取實物表面的三維數(shù)據(jù)，利用三維點云數(shù)據(jù)可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，并將模型及安裝要素精準(zhǔn)地投影在船舶艙室的實物安裝位置。經(jīng)實船安裝應(yīng)用，Iris能很好地滿足生產(chǎn)過程中實物的安裝要求，不僅掃描范圍大、速度快、精準(zhǔn)度高、操作簡單，而且可大大降低勞動強度，節(jié)約勞動成本，為精度造船、綠色造船提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描投影系統(tǒng);三維可視化模型;安裝要素

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： The Iris system in this paper is a non-contact 3D laser scanning and projection system. It uses optical technology to scan and obtain 3D data on the physical surface， which can quickly establish 3D virtual model based on 3D points cloud data in the complex and irregular scenes， and accurately project the model and installation elements on the physical given position of the ship cabin. Based on the installation and application experience in real ship， the Iris system projection can well meet the requirements of the installation of the physical objects in the process of actual production. It has the advantages of large scanning range， high speed， high precision and simple operation， reduces the labor intensity and saves the labor cost， provides reference for precision and green shipbuilding.

Key words： 3D laser scanning projection system; 3D virtual model; Installation elements

1 前言

隨著三維模擬、實物重構(gòu)、虛擬現(xiàn)實等概念相繼涌出，人們對事物的認識已從二維平面空間模式逐漸轉(zhuǎn)向三維立體空間模式，三維激光掃描儀應(yīng)運而生。三維激光掃描技術(shù)又稱實景復(fù)制技術(shù)，它是把傳統(tǒng)的單點式采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣舆B續(xù)獲取數(shù)據(jù)，由逐點式、逐線式、立體線式掃描逐步發(fā)展為三維激光掃描，以其非接觸式、掃描速度快、獲取信息量大、精度高、實時性強、全自動化、復(fù)雜環(huán)境測量等優(yōu)點，克服傳統(tǒng)測量儀器的局限性，成為直接獲取被測實物高精度三維數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為三維可視化模型的重要手段。它極大地降低了測量成本，節(jié)約了時間，使用方便，而且應(yīng)用范圍廣，在工業(yè)制造、工程測量、變形監(jiān)測等領(lǐng)域都有很寬廣的發(fā)展空間。

目前，國內(nèi)船舶制造業(yè)正在淘汰一批陳舊落后的工藝工裝方法，逐步被新的設(shè)備及其先進的方法、措施所代替。本文介紹一種非接觸式的三維激光掃描投影系統(tǒng)（Iris），利用光學(xué)技術(shù)來掃描獲取實物表面的三維數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，并將安裝要素精準(zhǔn)地投影在船舶艙室的實物安裝位置，既省時又省力。

三維激光掃描投影技術(shù)是基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重測量速度和操作簡便的同時，確保了測量的高精度。船舶設(shè)備基座安裝采用多點三維激光掃描，獲取相對于整個船體基準(zhǔn)和當(dāng)前艙室基準(zhǔn)，得到多個定位點進行均方差后確定出一個正確基準(zhǔn)，將基座影像投影到該基座實際安裝位置基準(zhǔn)上進行裝配。比如：機柜的安裝，通過應(yīng)用激光三維成像原理，將機柜實體特別是安裝孔等特殊點，成像輪廓或關(guān)鍵點3D投影于基座上，施工人員直接根據(jù)投影點進行定位打樣，完成后再吊裝機柜，這樣可大大地節(jié)省人工成本和降低勞動強度，同時達到吊裝機柜一次成功，有效規(guī)避機柜損傷，尤其是在公司批量生產(chǎn)的某船建造中使艦艇設(shè)備快速、安全裝船，實現(xiàn)公司工藝工裝方法升級換代，縮短生產(chǎn)建造周期，提高生產(chǎn)效率。

2 三維激光掃描投影系統(tǒng)（Iris）

本文采用Virtek公司的三維激光掃描投影系統(tǒng)（Iris），結(jié)合激光投影和3D視覺技術(shù)，創(chuàng)建稱為虛擬工裝的全新精密裝配技術(shù)，在3D空間對物體進行定位并在裝配流程中快速鎖住CAD軟件指定的裝配位置，而不需要定位工裝或預(yù)先劃線即可快速定位裝配的確切位置;它可消除因使用部件上不正確的參考點而導(dǎo)致的錯誤。另外，零件的任何移動將自動對系統(tǒng)進行重新定位。

系統(tǒng)簡單易學(xué)，應(yīng)用Virtek公司Planner軟件讀取被掃描部件的STEP、CATIA或CAD文件，生成投影文件和數(shù)據(jù)參考文件，并輸出視覺線索及工具導(dǎo)向，指導(dǎo)操作員完成工作流程。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由：LPS7H激光投影頭;空間定位器;系統(tǒng)軟件和電源配件組成，如圖1所示：

2.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理：首先，空間定位器對被掃描的部件進行掃描定位;然后將部件的三維點云數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和修正后，生成部件的三維視圖，并將數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入激光投影機中;在投影處理程序PDC中打開，把需要投影的點、線、輪廓按照投影的順序、基準(zhǔn)等逐條選出來，把需要加的提示信息及投影控制等設(shè)置好，形成一個投影文件，然后把該文件輸給投影設(shè)備，投影設(shè)備即可以按照文件規(guī)定，把這些線條或圖形逐條投射出來，并與實際部件模型進行對比。

2.3 操作步驟

以大型特種設(shè)備機柜為例，系統(tǒng)的操作步驟如下：

（1）將設(shè)備機柜圖紙轉(zhuǎn)化為簡單的三維模型，帶有安裝孔、頂面輪廓、側(cè)面輪廓等信息參數(shù)。

機柜孔位數(shù)據(jù)采集主要有兩種方法：第一種方法是直接利用空間定位器測量機柜的孔位和外形尺寸，將數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)軟件，然后進行后期數(shù)據(jù)處理;第二種方法是按設(shè)備廠家提供的機柜圖紙，利用系統(tǒng)自帶的畫圖軟件繪制成三維模型圖;

（2）利用空間定位器現(xiàn)場采集底板、下基座、靠背側(cè)板、靠背基座三維尺寸，生成三維點云數(shù)據(jù);

（3）將采集的三維點云數(shù)據(jù)，通過軟件生成可投影的三維模型;

（4）將機柜三維模型導(dǎo)入生成的基座三維模型，按照安裝基準(zhǔn)模擬裝配，產(chǎn)生整體模型。該過程可查看基座安裝是否正確，如需修改可及時調(diào)整;

（5）將整體模型導(dǎo)入投影軟件，選取投影基準(zhǔn)，設(shè)定投影孔、線、面等參數(shù)信息;

（6）現(xiàn)場選取基準(zhǔn)，投影定位，配鉆安裝。

系統(tǒng)輸出投影模型，采用不透視和透視兩種方式：

（1）在不透視方式下，隨著投影視角改變，投影模型在空間任意移動，可以確定機柜模型在安裝位置上真實空間布局。

（2）在透視方式下，通過軟件對3D模型進行切割處理，使投影得到特殊平面視圖，將模型特征點、安裝孔等安裝要素清晰地投影在基座面上，施工人員按照模型投影進行定位、配鉆，完成機柜安裝工作。

4 實船安裝應(yīng)用

為了驗證系統(tǒng)的有效性與可靠性，使用該系統(tǒng)對零件進行掃描投影：

如圖2所示，在實體上的輪廓線與實體完全一致，說明掃描物體正確。但實體表面總是不完全平整的，當(dāng)安裝面出現(xiàn)凸凹不平的時候，若掃描過程中又是按光滑表面測量計算的，這樣就會導(dǎo)致掃描結(jié)果和實際尺寸產(chǎn)生誤差，需要在測量過程中消除;類似設(shè)備結(jié)構(gòu)平行面、垂直面有偏差時也會出現(xiàn)相同的情況，也需要通過修正辦法使掃描數(shù)據(jù)和實際尺寸完全一致。

在實際的生產(chǎn)工作中，考慮到設(shè)計和組裝后的差異，可能會導(dǎo)致投影位置不佳，引起裝配誤差，如圖3所示;

系統(tǒng)獨有的分組數(shù)據(jù)空間定位功能，可以確保能根據(jù)壁板各局部的實際狀況來分組投影，避免裝配后的壁板產(chǎn)生變形，從而確?？臻g定位的準(zhǔn)確性。正確投影效果示意圖，如圖4所示：

圖5反映了某個安裝零件模型與其輪廓投影的對比。在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)安裝件是不可以隨意挪動的，比如大型特種設(shè)備機柜，重達一、兩百公斤，挪動起來非常吃力。但通過三維激光掃描與投影系統(tǒng)按照1：1比例掃描成圖像模型，并經(jīng)過投影儀數(shù)據(jù)中心處理模型數(shù)據(jù)后，圖像模型具有實體機柜的全部參數(shù)，可以輸出三維投影模型。三維投影模型可根據(jù)現(xiàn)場需要隨意改變模型空間布置，但不論怎樣改變都不能改變實體模型任意點之間的相對位置，改變空間布置只不過是相對視角不同而已。

在機柜和基座的實際安裝過程中，系統(tǒng)軟件繪制或掃描形成的機柜三維模型，如圖6所示：

利用空間定位器在艙室內(nèi)采集下基座和靠背基座的安裝要素和空間位置，每個獨立的基座平面需采集12個點左右生成三維模型，如圖7所示：

利用系統(tǒng)軟件將機柜三維模型圖與基座三維模型圖進行模擬裝配，該過程可查看機柜安裝位置及安裝孔大小是否有偏差，如有偏差可及時進行修改。裝配后的三維模型，如圖8所示：

在安裝艙室內(nèi)，按照相關(guān)操作步驟，利用激光投影設(shè)備進行機柜安裝要素投影。激光設(shè)備投影時，既可單一點位置，又可整體投影安裝要素，該過程無需搬裝機柜畫孔定位，減輕勞動強度，節(jié)約勞動時間，而且投影精度高，誤差在0.5mm之內(nèi)。

綜上所述，三維激光掃描投影系統(tǒng)（Iris）滿足機柜安裝精度要求，首制船單個機柜定位安裝時間約為85分鐘，后續(xù)船由于無需再次采樣機柜三維數(shù)據(jù)，所以單個機柜定位安裝時間縮短為55分鐘，速度提高30%左右。本安裝工藝在裝配過程中能早期發(fā)現(xiàn)施工錯誤，防止返工作業(yè)，節(jié)約人工和時間成本，縮短船舶建造周期，確保精確裝配施工作業(yè)，提高安裝工藝水平。

5 結(jié)論

隨著船舶行業(yè)信息化和工業(yè)化發(fā)展不斷加速，三維激光掃描投影技術(shù)在船舶工程領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷加深。通過三維實體測量，將模擬實體大小、結(jié)構(gòu)等裝配要素集中投影于艙室的給定位置，施工人員根據(jù)投影標(biāo)刻出施工關(guān)鍵要素進行裝配，不僅減少了人工多次施工測繪，而且減少了機柜反復(fù)吊裝次數(shù)，避免機柜損傷，大大地提高了現(xiàn)場施工裝配水平，同時也減少了勞動成本。

先進的三維激光掃描投影技術(shù)應(yīng)用于船舶建造及設(shè)備安裝工作，不僅掃描范圍大、速度快、精準(zhǔn)度高、操作簡單，而且降低了勞動強度，節(jié)約了勞動成本，提升了科技造船水平，為精度造船、綠色造船提供借鑒和參考。

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