劉 杰，鄭雪松，楊 斌，王 剛，李文龍,

(1. 武漢商學(xué)院通識(shí)教育學(xué)院， 湖北 武漢 430056；2. 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074；3. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司， 湖北 武漢 430223)

1 引 言

核電換熱板是核力發(fā)電系統(tǒng)的重要散熱部件[1]，由于長期受強(qiáng)輻照重水環(huán)境、高溫、高速水流沖擊，承受化學(xué)腐蝕和熱/機(jī)械應(yīng)力交變載荷作用[2]，從而易導(dǎo)致?lián)Q熱板孔洞泄露、區(qū)域減薄，嚴(yán)重影響核力發(fā)電系統(tǒng)的換熱性能[3]，為保障核電系統(tǒng)工作運(yùn)行的安全性和可靠性，需要定期對(duì)換熱板的厚度進(jìn)行檢測。

核電換熱板由人字形波紋壓制而成，在實(shí)際應(yīng)用過程中換熱板被多層疊放排列構(gòu)成散熱流道，因此為檢測換熱板服役狀態(tài)需將其統(tǒng)一拆卸，目前主要以人工視檢為主，工作量大且檢測質(zhì)量嚴(yán)重依賴于工人累積經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、自動(dòng)化的檢測。

針對(duì)核電換熱板此類復(fù)雜薄壁件的尺寸測量研究:國外主要以超聲測量為主，Lévesque D等[4]開發(fā)了一種激光-超聲測量系統(tǒng)，采用單回波分析的信號(hào)處理方法確定待測件壁厚，不適用于表面粗糙度較高的材料；Cheong Y等[5]提出了一種超聲捕捉波導(dǎo)技術(shù)，用于精確監(jiān)測管道壁厚；Jaime P等[6]提出了一種利用EMATs進(jìn)行厚度測量和裂紋檢測的方法，將EMAT產(chǎn)生的波場與不同尺寸、位置和方向的裂紋缺陷進(jìn)行三維有限元分析，然后利用脈沖回波模式測量材料厚度，不過每次只能進(jìn)行單點(diǎn)的測量。

國內(nèi)，Liu Y Q等[7]提出了一種基于光譜分析的激光超聲測厚法，通過超聲傳播速度計(jì)算待測件厚度；邢麗等[8]提出了一種基于雙目視覺的薄壁零件變形量測量方法，利用角點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算出定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)，用于較為規(guī)則的物體；結(jié)構(gòu)光測量以其非接觸、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)也被用于薄壁件測量的研究中，劉海波[9]提出一種基于截面線法的點(diǎn)激光快速精密掃描測量方法，可快速獲取豐富的測點(diǎn)坐標(biāo)信息，應(yīng)用于薄壁零件測量—加工一體化制造方法中；楊軍濤等[10]提出一種基于線激光掃描的裂縫檢測方法，能夠快速檢測到零件表面缺陷的位置與尺寸，但是難以提取三維特征信息。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的超聲波/雙目結(jié)構(gòu)的測量方案只能進(jìn)行靜態(tài)單點(diǎn)位置的測量，難以實(shí)現(xiàn)高效和動(dòng)態(tài)測量；單一結(jié)構(gòu)光傳感器組成的測量系統(tǒng)方法只能獲取物體表面獨(dú)立測點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，難以融合多表面數(shù)據(jù)獲取薄壁零件的厚度信息。

本文提出一種基于線激光掃描的核電換熱板厚度測量方法，搭建雙線激光傳感器三維測量系統(tǒng)，建立核電換熱板數(shù)字化模型，針對(duì)波紋狀薄板幾何特點(diǎn)提出采用點(diǎn)點(diǎn)距離與空間聚類的厚度計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了換熱板尺寸現(xiàn)場快速測量與厚度分布可視化。

2 多視角點(diǎn)云拼接與尺寸計(jì)算

核電換熱板厚度尺寸檢測過程如下：①針對(duì)待測薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建三維掃描測量系統(tǒng)，從多視角掃描待測件以獲取其完整細(xì)節(jié)特征；②標(biāo)定測量系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)測量坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，將獲取到的多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接；③精簡拼接后點(diǎn)云，利用點(diǎn)點(diǎn)距離在法矢方向上的投影進(jìn)行厚度尺寸計(jì)算。

2.1 線激光測量系統(tǒng)搭建

為獲取核電換熱板的高質(zhì)量掃描數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)并搭建了線激光掃描傳感器三維測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，該平臺(tái)由機(jī)器人、水平導(dǎo)軌、安裝架、線激光傳感器、標(biāo)準(zhǔn)球和標(biāo)定塊組成。

圖1 線激光三維測量系統(tǒng)Fig.1 Line laser three-dimension measurement system

圖2 標(biāo)定塊設(shè)計(jì)模型Fig.2 Model of calibration block

薄壁零件通過連接件固定在機(jī)器人末端法蘭上；機(jī)器人放置于地面上，用于調(diào)整被測薄壁零件的位姿；水平導(dǎo)軌固定于機(jī)架上，上面的滑塊用于移動(dòng)線激光傳感器；安裝架有2個(gè)對(duì)稱布置的安裝板，固定在水平導(dǎo)軌的滑塊上，用于安裝線激光傳感器；線激光傳感器通過緊固件安裝在安裝架的安裝板上。標(biāo)定塊是基于傳感器位姿標(biāo)定需求設(shè)計(jì)的多特征立體靶標(biāo)，如圖2所示，左、右圖分別為標(biāo)定塊前、后標(biāo)定面，標(biāo)定面采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)用以區(qū)分待匹配面，選取圓柱、凸臺(tái)等幾何特征相互組合作為匹配特征，同時(shí)結(jié)合不同坡度、長度的斜面作為定位特征，改善了點(diǎn)云匹配過程中容易滑移和陷入局部匹配的問題[11,12]，提高了點(diǎn)云匹配的準(zhǔn)確度。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制與數(shù)據(jù)傳輸，線路連接如圖3所示，控制器實(shí)現(xiàn)供電和觸發(fā)功能，交換機(jī)則將信號(hào)傳至電腦。

圖3 系統(tǒng)線束Fig.3 System harness

2.2 系統(tǒng)標(biāo)定與數(shù)據(jù)拼接

為融合待測件多視角測量數(shù)據(jù)，獲取核電換熱板完整點(diǎn)云，需對(duì)整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定各測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系。具體包括對(duì)導(dǎo)軌在傳感器下運(yùn)動(dòng)方向的標(biāo)定和傳感器間位姿關(guān)系的標(biāo)定。

(1)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)定

點(diǎn)云的三維坐標(biāo)由導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向和傳感器激光發(fā)射面共同決定，由于實(shí)際安裝位置與理想狀態(tài)存在偏差，需要獲取導(dǎo)軌實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向向量，校正安裝偏差使測量坐標(biāo)系正交化。本文使用啞光標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行標(biāo)定，采用點(diǎn)云分割與貫穿對(duì)象截面提取的方法擬合得到多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球圓心坐標(biāo)[13]，圓心所在直線即為導(dǎo)軌在傳感器坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方向，最后通過基變換將測量數(shù)據(jù)變換至正交坐標(biāo)系下，消除了導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向與激光發(fā)射面非正交所帶來的影響?；儞Q公式如下：

(1)

式中：(a,b,c)T為導(dǎo)軌實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向向量；(x,y,z)T為直接掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；(x′,y′,z′)T為校正后正交坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2)傳感器間位姿標(biāo)定

針對(duì)核電換熱板曲率緩變的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩個(gè)線激光傳感器相向排列從多視角掃描獲取其點(diǎn)云。為完成多個(gè)測量點(diǎn)云的拼接，方便后續(xù)尺寸計(jì)算，需要獲取兩個(gè)傳感器間的位姿變換矩陣。首先，利用標(biāo)定塊獲取其在左、右線激光傳感器測量坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，考慮匹配算法的綜合性能，采用效果優(yōu)于ICP算法的ADF算法進(jìn)行匹配，以點(diǎn)到切面的距離構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算兩個(gè)傳感器測量坐標(biāo)系變換至世界坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣[14,15]，標(biāo)定塊點(diǎn)云匹配結(jié)果如圖4所示。

圖4 標(biāo)定塊點(diǎn)云匹配Fig.4 Matching point cloud of calibration block

最后，通過旋轉(zhuǎn)矩陣將多視角測量點(diǎn)云統(tǒng)一到世界坐標(biāo)系下：

(2)

點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖5所示。

圖5 標(biāo)定塊點(diǎn)云拼接Fig.5 Point cloud registration of calibration block

2.3 點(diǎn)云精簡與厚度計(jì)算

初步掃描的原始點(diǎn)云規(guī)模往往巨大，因此在尺寸計(jì)算前，首先以保證重要細(xì)節(jié)特征為原則對(duì)掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡[16]。曲率精簡是指通過計(jì)算所有點(diǎn)的曲率來設(shè)置自適應(yīng)的閾值，判斷點(diǎn)云是否保留，以達(dá)到減少平坦區(qū)域點(diǎn)，保留高曲率區(qū)域點(diǎn)的效果，采樣點(diǎn)曲率估計(jì)：

(3)

式中：H為平均曲率；k1為主曲率的極大值；k2為主曲率的極小值。

主曲率k1、k2通過最小二乘法擬合局部點(diǎn)云點(diǎn)二次曲面的參數(shù)方程求解。估計(jì)每個(gè)采樣點(diǎn)pi的曲率Hi后，計(jì)算點(diǎn)云整體平均曲率作為閾值，比較Hi和閾值的大小劃分采樣點(diǎn)所屬區(qū)域進(jìn)而進(jìn)行不同概率的精簡[17,18]，完成點(diǎn)云的預(yù)處理。

進(jìn)行換熱板厚度尺寸計(jì)算，觀察換熱板點(diǎn)云整體模型，考慮其表面波紋狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將點(diǎn)云法矢方向上兩表面間的距離作為該區(qū)域的厚度尺寸，具體計(jì)算原理如圖6所示。

圖6 換熱板厚度計(jì)算Fig.6 Thickness calculation of heat exchange plate

在精簡后的模型中，選擇一面作為待測面記為A面，任取A面一點(diǎn)記為點(diǎn)a(x1,y1,z1)；另一面作為參考面記為B面，B面上距離點(diǎn)a最近的數(shù)據(jù)點(diǎn)就是點(diǎn)a的目標(biāo)點(diǎn)，記為點(diǎn)b(x2,y2,z2)。點(diǎn)a與點(diǎn)b的連線在點(diǎn)a法矢na(a,b,c)方向上的投影距離記為A面上點(diǎn)a處的厚度ha，具體通過Kd-tree結(jié)構(gòu)搜索多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，擬合點(diǎn)云局部曲面計(jì)算對(duì)應(yīng)法矢，得到h1,h2,…,hn，最后將結(jié)果取平均值。厚度計(jì)算公式為

(4)

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)測量精度檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用直徑標(biāo)準(zhǔn)值為50.796 2 mm的陶瓷啞光標(biāo)準(zhǔn)球，通過專用磁性支架將其安裝在導(dǎo)軌附近，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球空間位姿使標(biāo)準(zhǔn)球在兩個(gè)線激光傳感器的對(duì)稱中心，以保證標(biāo)準(zhǔn)球同時(shí)在2個(gè)線激光傳感器的最佳測量范圍內(nèi)。檢測平臺(tái)如圖7所示，控制安裝板沿導(dǎo)軌移動(dòng)使2個(gè)線激光傳感器同步對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行掃描，得到其三維點(diǎn)云，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8所示。

基于德國VDI/VDE標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的測量精度采用標(biāo)準(zhǔn)球測量誤差來評(píng)定，主要分為評(píng)估導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)定精度、評(píng)估傳感器位姿標(biāo)定精度和評(píng)估系統(tǒng)整體測量精度這3項(xiàng)。

圖7 精度檢測平臺(tái)Fig.7 Precision detection platform

圖8 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.8 Result of data processed

(1)評(píng)估導(dǎo)軌標(biāo)定精度

分別將左、右側(cè)線激光傳感器的標(biāo)準(zhǔn)球測量點(diǎn)云擬合為標(biāo)準(zhǔn)球體，將擬合球直徑與真實(shí)值進(jìn)行比較，如表1所示。表1中L-D和R-D分別代表導(dǎo)軌在左、右側(cè)線激光傳感器下的標(biāo)定結(jié)果。多次測量結(jié)果表明左側(cè)傳感器下導(dǎo)軌標(biāo)定平均誤差≤0.028 2 mm，右側(cè)傳感器下導(dǎo)軌標(biāo)定平均誤差≤0.075 8 mm，標(biāo)定精度符合測量要求，不過造成左右兩側(cè)標(biāo)定結(jié)果存在細(xì)微差別的原因可能是標(biāo)準(zhǔn)球體積較小，在左右兩側(cè)傳感器的測量景深略有差別。

表1 導(dǎo)軌標(biāo)定精度Tab.1 The precision of guide rail calibration mm

(2)評(píng)估傳感器位姿標(biāo)定精度

圖9 傳感器位姿標(biāo)定精度驗(yàn)證Fig.9 Verify the precision of sensor pose calibration

(3)評(píng)估系統(tǒng)整體測量精度

利用標(biāo)定得到的旋轉(zhuǎn)矩陣將兩片點(diǎn)云拼接在同一坐標(biāo)系下，擬合標(biāo)準(zhǔn)球體，將擬合球直徑與真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)值50.796 3 mm對(duì)比發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)云拼接平均誤差≤0.15 mm，即旋轉(zhuǎn)矩陣的拼接結(jié)果能夠使測量系統(tǒng)滿足精度要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)整體測量精度Tab.2 The precision of measuring system mm

3.2 換熱板樣件實(shí)際檢測實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提方法的有效性和可行性，基于搭建的線激光三維掃描測量平臺(tái)，開展了換熱板樣件實(shí)際檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)調(diào)整好換熱板位姿，使其正對(duì)傳感器激光投射面，并與兩側(cè)傳感器距離約350 mm。由直線電機(jī)帶動(dòng)雙線激光傳感器沿導(dǎo)軌平穩(wěn)移動(dòng)采集換熱板測量點(diǎn)云，采集換熱板樣件數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 換熱板樣件數(shù)據(jù)采集Fig.10 Collecting data of heat exchange plate sample

首先將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云精簡，數(shù)據(jù)量由239×104精簡至59×104，然后依次進(jìn)行正交化處理、拼接處理，結(jié)果如圖11所示。

最后進(jìn)行厚度尺寸計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在誤差色譜圖上通過選取固定區(qū)域進(jìn)行采樣，生成如表3所示的表格和如圖12所示的色譜圖。厚度分布呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，波峰波谷處厚度平均為1.067 3 mm左右，多呈現(xiàn)為紅色屬于換熱板中較厚的部分；波浪中部區(qū)域厚度平均約為0.873 9 mm，多呈現(xiàn)為藍(lán)綠色屬于換熱板中較薄的部分。本次測量的零件為沖壓件沒有絕對(duì)厚度，核電公司給出的實(shí)際厚度范圍為：0.80～1.10 mm，實(shí)驗(yàn)選取的10個(gè)采樣點(diǎn)平均厚度為0.992 1 mm，符合測量要求，因此可以驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有效性。

表3 換熱板厚度計(jì)算結(jié)果Tab.3 Result of the plate thickness calculation mm

圖11 換熱板樣件數(shù)據(jù)預(yù)處理Fig.11 Preprocessing data of the plate

圖12 換熱板樣件色譜圖Fig.12 Chromatogram of the plate

4 結(jié) 論

本文以核電換熱板為研究對(duì)象，圍繞換熱板厚度測量開展研究，搭建了一套基于線激光掃描的三維測量系統(tǒng)，并通過精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與核電換熱板樣件實(shí)際檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與有效性，主要研究總結(jié)如下：

(1)針對(duì)核電換熱板厚度尺寸高效測量與快速計(jì)算需求，研究了薄壁零件三維測量系統(tǒng)布局，設(shè)計(jì)并搭建了一套線激光三維測量系統(tǒng)。

(2)研究測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，完成了線性導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)定及傳感器相向排列位姿標(biāo)定，最終實(shí)現(xiàn)了多視角三維測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合。

(3)基于曲率采樣完成了線激光掃描原始點(diǎn)云的精簡，結(jié)合被測零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了以點(diǎn)-點(diǎn)距離在法矢方向上投影為目標(biāo)函數(shù)的換熱板厚度計(jì)算方法和空間聚類的結(jié)果優(yōu)化方法。

(4)開展了測量系統(tǒng)精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、核電換熱板樣件現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)，完成了核電換熱板樣件500 mm×500 mm厚度計(jì)算，平均厚度0.992 1 mm，波峰波谷平均厚度1.067 3 mm，測量精度優(yōu)于0.15 mm，檢測時(shí)間≤2 min，已成功應(yīng)用于某核電換熱板樣件檢測。