楊茂舉 武繼新 王海龍 賈廣成 于思彬 高原

（1.一汽模具制造有限公司，長春 130000；2.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

1 前言

通過三維激光掃描儀對焊裝生產(chǎn)線進行全方位掃描，獲取點云技術(shù)掃描數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理得到車間的點云模型，利用點云模型對生產(chǎn)線設(shè)備進行三維數(shù)字化工廠搭建，確定機器人和夾具的位置，準確獲取現(xiàn)場3D 數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于調(diào)整數(shù)字化工廠布局，實現(xiàn)了數(shù)字工廠與現(xiàn)實工廠數(shù)據(jù)的一致性，為焊裝生產(chǎn)線改造的工藝模擬仿真驗證做好前期必要準備工作。

2 點云數(shù)據(jù)采集

2.1 點云掃描設(shè)備

點云掃描設(shè)備分為2 種，一種是大型三維移動掃描測量系統(tǒng)（圖1），具有掃描范圍大、精度高、易操作、可移動、速度快的優(yōu)點，單副測量范圍為0.6～70 m，測量速率高達488000 點/s，距離精度達到3 mm，工作溫度范圍-20～50 ℃，設(shè)備尺寸為230 mm×183 mm×103 mm。

圖1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

另一種是便攜式掃描測量系統(tǒng)（圖2），具有完全移動自由、質(zhì)量小、自動對齊調(diào)整、測量范圍擴展、使用方便、界面友好的優(yōu)點。掃描區(qū)域為275 mm×250 mm，測量速率高達488000 點/s，距離精度達到0.03 mm，工作溫度范圍0～40 ℃，輕便、小巧，質(zhì)量只有1.38 kg，可裝入隨身攜帶的手提箱，既適用于實驗室環(huán)境，也可攜帶至車間使用，無需外部定位系統(tǒng)，也無需使用機械臂、三腳架或工裝夾具。

圖2 攜式掃描儀

2.2 點云掃描步驟

點云數(shù)據(jù)的采集，處理需要經(jīng)過一系列的操作步驟，具體如下。

2.2.1 現(xiàn)場掃描測繪

對于焊裝生產(chǎn)線點云掃描，需要從多個角度進行無死角掃描。設(shè)備固定好后，確定好基準點（圖3），自動旋轉(zhuǎn)掃描，只需要1 人操作，省時省力。當設(shè)備單幅掃描完畢，設(shè)備換下個位置繼續(xù)掃描[1]?？刂凭W(wǎng)應(yīng)根據(jù)測區(qū)內(nèi)已知控制點的分布、環(huán)境結(jié)構(gòu)特點、掃描目標物的分布和精度要求，選定控制網(wǎng)等級并規(guī)劃控制網(wǎng)的網(wǎng)形；控制點宜選在掃描目標物附近、長期穩(wěn)固且容易被觀察的地方，如廠房立柱、混凝土墻壁等；根據(jù)需要，小區(qū)域或單體目標物掃描時可不設(shè)控制網(wǎng)。

圖3 設(shè)置基準點

2.2.2 數(shù)據(jù)拼接

進行單幅掃描完畢之后，需要將數(shù)據(jù)進行拼接，以得到我們需要的完整的整個點云線體（圖4）。根據(jù)不同的作業(yè)方式，可選擇標靶、標靶和控制點結(jié)合、公共特征進行點云數(shù)據(jù)的拼接。

圖4 數(shù)據(jù)拼接

a.使用標靶和公共特征進行數(shù)據(jù)拼接時，應(yīng)采用≥3 個同名點建立轉(zhuǎn)換矩陣；

b.相鄰兩掃描站的公共標靶個數(shù)≥3 個（儀器經(jīng)過嚴格整平時，≥2 個），拼接后同名點的誤差應(yīng)≤2 mm。

使用控制點與標靶結(jié)合拼接應(yīng)符合下列規(guī)定。

a.長距離線型生產(chǎn)線，以20 m 一段分區(qū)掃描，每段分區(qū)內(nèi)點云數(shù)據(jù)按標靶方式拼接形成區(qū)域整體點云，各區(qū)域整體點云按區(qū)域內(nèi)掃描的控制點分別拼接至控制網(wǎng)坐標系中；

b.短距離和小區(qū)域線體掃描，可利用全站儀或其它儀器精確測量標靶坐標作為導(dǎo)向控制，再將各站掃描數(shù)據(jù)拼接至控制坐標中；

c.結(jié)合控制網(wǎng)測量的整體點云誤差應(yīng)≤5 mm[1]。

2.2.3 降噪、輕量化處理

掃描后的點云數(shù)據(jù)非常大，不利于使用，需要進行降噪處理，達到使用的條件（圖5）。點云數(shù)據(jù)中存在脫離掃描目標物的異常點、孤立點或與目標物無關(guān)的點時，應(yīng)采用濾波和人為方式進行除噪、除雜處理；點云數(shù)據(jù)抽稀應(yīng)不影響目標物特征的識別與提取，且抽稀后的最大點間距不得＞6 mm。

圖5 點云數(shù)據(jù)

2.2.4 文件輸出

數(shù)據(jù)處理完畢后（圖6），輸出POD 格式點云數(shù)據(jù)，供數(shù)字化工廠使用。點云數(shù)據(jù)輸出格式為*.pod，文件以字母或阿拉伯數(shù)字命名，Process Simu?late（PS）軟件不支持中文名稱的POD點云；輸出經(jīng)格式轉(zhuǎn)換的點云，其色彩、目標物特征不得失真；避免大點云數(shù)據(jù)集中加載，工廠點云數(shù)據(jù)按廠房結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)線體分區(qū)導(dǎo)出，所有導(dǎo)出的分區(qū)點云應(yīng)保證在同一參考系；根據(jù)需要導(dǎo)出局部區(qū)域點云數(shù)據(jù)；所有原始點云數(shù)據(jù)應(yīng)保存歸檔，保證數(shù)據(jù)完整性。

圖6 點云數(shù)據(jù)

3 數(shù)字孿生工廠建模

將生產(chǎn)線所有資源的三維模型導(dǎo)入到Process Simulate 軟件中，根據(jù)車間現(xiàn)場點云模型，完成數(shù)字孿生工廠的建模，然后通過Process Simulate 軟件提供的機器人仿真技術(shù)、人機仿真技術(shù)對關(guān)鍵工位進行仿真和優(yōu)化，改善工藝方案，改善工作場所的安全狀況，提高工作效率，增加產(chǎn)品與工作環(huán)境舒適度。

3.1 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生工廠

點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生工廠具體導(dǎo)入步驟如下。

a.在后臺Sysroot 路徑下創(chuàng)建如圖7 所示的文件夾路徑，將pod 點云數(shù)據(jù)放在此文件夾下，Point_Cloud 文件夾點云數(shù)據(jù)為英文名稱；

圖7 點云存放位置示意

b.在PS 軟件中加載點云所在的文件夾，右鍵選擇Load in Standard Mode（圖8），進入三維模式；

圖8 加載點云文件夾

c.PS 軟件中選擇Modeling 標簽，選擇點云，插入點云（圖9）。在Point Clouds 文件中即可看到點云數(shù)據(jù)，在三維窗口中即可觀察到點云模型。

圖9 插入點云數(shù)據(jù)

d.插入點云數(shù)據(jù)包含整個工廠的三維模型，當視角有遮擋時，可以對點云進行編輯（圖10），分層處理（圖11），處理后操作人員即可根據(jù)需要，顯示或隱藏自己所需要層級的點云數(shù)據(jù)。這一功能極大的方便操作人員的建模。

圖10 點云編輯處理

圖11 點云數(shù)據(jù)分層

3.2 生產(chǎn)線數(shù)據(jù)建模

點云數(shù)據(jù)處理完畢后，在軟件Process Simulate中建立起數(shù)字孿生工廠生產(chǎn)線模型，其中包含機器人及底座、焊槍、傳輸設(shè)備、安全設(shè)備、機器人附屬設(shè)備、安全設(shè)備、抓手夾具、滾床產(chǎn)線設(shè)備，用于后續(xù)模擬仿真。

a.將機器人及底座、焊槍、傳輸設(shè)備、安全設(shè)備、機器人附屬設(shè)備、安全設(shè)備、抓手夾具、滾床產(chǎn)線設(shè)備調(diào)入PS 三維視圖窗口中（圖12）；

圖12 三維設(shè)備數(shù)模調(diào)入

b.根據(jù)點云文件調(diào)整所有設(shè)備（機器人、夾具、電極修磨器）的位置，將設(shè)備位置與點云數(shù)據(jù)位置高度調(diào)整一致，軟件中可以精細精準移動（圖13）；

圖13 數(shù)據(jù)精準到位

c.根據(jù)點云文件，調(diào)整PD 數(shù)據(jù)中資源的位置，方便點云數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生工廠高度一致，方便查看；

d.更新所有改動，保存數(shù)據(jù)（圖14）。

圖14 保存數(shù)據(jù)

將生產(chǎn)線所有資源的三維模型導(dǎo)入到Process Simulate 軟件中，根據(jù)車間點云模型，完成數(shù)字化雙胞胎工廠的搭建，然后通過Process Simulate 軟件提供的機器人仿真技術(shù)、人機仿真技術(shù)，對關(guān)鍵工位進行仿真和優(yōu)化，改善工藝方案、改善工作場所的安全狀況、提高工作效率、增加產(chǎn)品與工作環(huán)境舒適度。至此，可以通過現(xiàn)在常用的數(shù)字化工廠，進行數(shù)字化虛擬仿真。

4 結(jié)束語

本次項目綜合運用了點云掃描技術(shù)和數(shù)字孿生工廠技術(shù)，完成了焊裝生產(chǎn)線的數(shù)字化工廠的搭建和工藝仿真驗證，三維數(shù)模是建設(shè)數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)，所以點云掃描和數(shù)字孿生工廠在本次項目中至關(guān)重要。

通過激光掃描儀完成焊裝車間的全方位掃描，得到車間點云模型是本次項目成功實施的關(guān)鍵，也為今后車間改造打下基礎(chǔ)[2]。獲得焊裝車間的整體點云數(shù)據(jù)；獲得生產(chǎn)線所有資源的三維數(shù)模；導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)和三維數(shù)模，在Process Simulate 軟件中完成焊裝車間數(shù)字孿生工廠的建模工作；完成焊裝車間關(guān)鍵工位的工藝仿真驗證和工藝優(yōu)化。將激光掃描技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線三維數(shù)字化工廠構(gòu)建中，成功解決了原來以三維CAD 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化工廠構(gòu)建技術(shù)不能確保工廠的產(chǎn)品、設(shè)備、水電氣管及建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件完整性和準確性的問題。通過點云掃描技術(shù)對生產(chǎn)線進行全方位掃描，經(jīng)過處理得到的點云模型可以用來進行數(shù)字孿生工廠的建模，如果有必要可以逆向工裝夾具模型。點云數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生工廠中得以有效應(yīng)用。