三維掃描技術(shù)在封頭變形檢測中的應(yīng)用

張文博

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海200090)

0 概 述

沒有測量就沒有科研，就沒有現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。三維掃描技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，三維掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)以來在測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[1]。

在壓力容器制造過程中，許多部件經(jīng)焊接或熱處理后，較容易發(fā)生變形。變形的部件將影響后續(xù)工序的裝配。因此，檢測部件的變形量，并預(yù)測較大的變形將發(fā)生在某個(gè)環(huán)節(jié)，從而才能采取相應(yīng)的措施減小變形?，F(xiàn)以某型加熱器的封頭為檢測對象，采用非接觸三維掃描技術(shù)，獲取被測物表面密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，真實(shí)描述了被掃描對象的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征。

1 常規(guī)檢測法與三維掃描技術(shù)

常規(guī)測量封頭變形的方法，是使用封頭樣板進(jìn)行測量，將封頭樣板放置在封頭曲面的不同位置，通過測量封頭與樣板之間的間隙，得出不同狀態(tài)下該處封頭的變形量。該測量方法的隨機(jī)性較大，測量點(diǎn)的數(shù)量有限，無法完整測得封頭的外形尺寸，難以精確得到任意點(diǎn)的變化量，更無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和比較。利用三維掃描技術(shù)，有效地避免了基于點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析造成的局部性和片面性[2]，可對不同狀態(tài)下的三維模型進(jìn)行擬合對比，通過偏差色譜圖判別出變形位置的變化量，因此，將三維掃描技術(shù)引入變形檢測領(lǐng)域，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 三維測量技術(shù)及設(shè)備

隨著測量精度要求被不斷地提高，從單獨(dú)測量物件的外形尺寸，到測量復(fù)雜零件的空間三維尺寸，測量工具也隨之更新?lián)Q代。三維測量技術(shù)是對被測物進(jìn)行全方位測量，確定被測物的三維坐標(biāo)，從而得到被測物的數(shù)據(jù)。現(xiàn)利用自定位手持式3D激光掃描儀，展開測量封頭方面的研究。3D激光掃描儀無需借助外部的定位系統(tǒng)，只需在被測物表面黏貼定位標(biāo)點(diǎn)，形成一系列連續(xù)三角形，由掃描儀發(fā)出7 束交叉的激光線，投射在被測物的表面，經(jīng)反射后，掃描儀接受采集到的數(shù)據(jù)，通過三角測量法，實(shí)時(shí)確定掃描儀與被測物的相對位置，并可在V-Xelements軟件中實(shí)時(shí)顯示掃描后生成的圖像。將掃描生成的模型導(dǎo)入Geomagic Control軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得出各項(xiàng)平面尺寸、空間尺寸及形位公差。同時(shí)可將掃描生成的模型與標(biāo)準(zhǔn)三維模型擬合，得出偏差色譜圖，尺寸偏差趨勢及數(shù)據(jù)在屏幕上清晰可見。操作該設(shè)備時(shí)，較為便捷靈活，且測量精度高。3D激光掃描儀的外形，如圖1所示。

圖1 三維掃描儀的外形

三維掃描技術(shù)是一項(xiàng)集合了測量、儀器光電、圖像處理等功能的綜合性技術(shù)，是獲取大量空間數(shù)據(jù)的有效手段。因此，三維掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于建筑、設(shè)備制造、橋梁等各行業(yè)，也被用于逆向工程的重構(gòu)模型，以及為應(yīng)急服務(wù)、災(zāi)害監(jiān)測提供判斷依據(jù)[3]。在變形監(jiān)測領(lǐng)域，常采用臺式激光掃描儀，對不同時(shí)段的橋梁、路面、堆體的變化進(jìn)行檢測和分析。對于自定位手持式激光掃描儀在變形檢測方面的應(yīng)用，相關(guān)的研究結(jié)果較少。

3 測量封頭的變形量

封頭是由模具熱壓成形，為半球形狀。經(jīng)劃線后，在封頭上氣割4個(gè)孔，再將封頭置于變位器上，對封頭內(nèi)表面進(jìn)行帶極堆焊，然后對整個(gè)封頭進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。封頭經(jīng)過焊接及熱處理后將發(fā)生變形，但變形位置及變形量無法直觀地觀察到，需在各過程中分別進(jìn)行測量，從而獲取變形量數(shù)據(jù)。在封頭堆焊及熱處理過程中，需對2次堆焊前、最后堆焊完成及熱處理后的各個(gè)階段，分別進(jìn)行4次三維掃描，并將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行4次擬合對比。測量封頭變形量的流程，如圖2所示。

圖2 測量封頭變形量的流程

3.1 第一次測量

將封頭壓制成型并氣割開孔后，讓封頭的球面朝上，對封頭的外表面進(jìn)行三維掃描。然后將封頭開口朝上，再對封頭的內(nèi)表面進(jìn)行三維掃描。將2次掃描所得的表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control軟件，對齊封頭的特征點(diǎn)，再拼接合成封頭的三維模型，該初始模型可作為后續(xù)擬合對比時(shí)的基準(zhǔn)。

3.2 第二次測量

對封頭內(nèi)表面進(jìn)行堆焊，堆焊層的厚度約3 mm，封頭中心未堆焊區(qū)的直徑約250 mm，距離4個(gè)開孔處邊緣30～60 mm區(qū)域內(nèi)未堆焊，封頭距離端面50～80 mm處未堆焊。在此狀態(tài)下，對封頭的內(nèi)外表面分別進(jìn)行掃描，再合成封頭的三維模型，將測量結(jié)果與第一次掃描的初始模型進(jìn)行擬合對比，利用軟件的計(jì)算功能，形成3D偏差色譜圖，即可評價(jià)堆焊后封頭的變形情況。

3.3 第三次測量

再次進(jìn)行封頭堆焊，同時(shí)手工堆焊封頭的中心區(qū)，堆焊層的厚度約6 mm，4個(gè)開孔邊緣30～60 mm區(qū)域未堆焊，封頭距離端面50～80mm處未堆焊。在此狀態(tài)下，再對封頭的內(nèi)外表面分別進(jìn)行掃描，待合成為三維模型后，將測量結(jié)果與初始模型進(jìn)行擬合對比，通過形成的3D偏差色譜圖，評價(jià)再次堆焊后封頭的變形情況。

3.4 第四次測量

經(jīng)過2次堆焊后，對封頭進(jìn)行焊后熱處理(熱處理溫度600～640℃，保溫1h)。熱處理后，對封頭內(nèi)外表面進(jìn)行第四次掃描，將測量結(jié)果分別與第三次掃描模型及第一次掃描的初始模型進(jìn)行擬合對比，通過形成的3D偏差色譜圖，評價(jià)整體熱處理后封頭的變形情況。

4 三維掃描數(shù)據(jù)測量

4次三維掃描的步驟相同，但掃描數(shù)據(jù)的采集，是后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理的關(guān)鍵。掃描時(shí)，主要的操作過程為實(shí)物準(zhǔn)備、掃描定位標(biāo)點(diǎn)、掃描表面及擬合對比。三維掃描封頭的測量流程，如圖3所示。

圖3 三維掃描的測量流程

4.1 實(shí)物準(zhǔn)備

三維掃描前，需清理封頭的內(nèi)外表面，避免有異物產(chǎn)生的無效特征點(diǎn)。在封頭表面黏貼定位標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)的間距為20～100 mm，在開孔邊緣及封頭底部等拐角區(qū)域，需黏貼較多的定位標(biāo)點(diǎn)。黏貼的定位標(biāo)點(diǎn)呈三角排列，若整齊地排列成直線，將會影響該處的特征顯示。黏貼內(nèi)表面定位標(biāo)點(diǎn)的封頭，如圖4所示。

圖4 內(nèi)表面貼定位標(biāo)點(diǎn)圖

4.2 掃描定位標(biāo)點(diǎn)

啟動三維掃描儀，建立三維坐標(biāo)，對封頭表面的定位標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描。采集到封頭表面定位標(biāo)點(diǎn)處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將在計(jì)算機(jī)中形成具有定位標(biāo)點(diǎn)的圖形，可為后續(xù)掃描提供定位依據(jù)。若發(fā)現(xiàn)某些定位標(biāo)點(diǎn)無效，也可單獨(dú)刪除，以免影響后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。

4.3 掃描表面

選擇網(wǎng)格掃描模式，對封頭表面進(jìn)行整體掃描，將每個(gè)平面、轉(zhuǎn)角等幾何形狀掃入系統(tǒng)，尤其需仔細(xì)掃描開孔的邊緣處。通過掃描，最終生成封頭模型。在掃描過程中，保持三維掃描儀與封頭之間的距離，約為30 cm。從封頭頂端開始掃描，從上至下，再單向繞行封頭一周。對封頭進(jìn)行全面掃描時(shí)，應(yīng)有10 cm重疊的掃描區(qū)域。對于開孔區(qū)域，需將掃描儀傾斜某角度，確保掃描激光能照射到所測的部位。三維掃描時(shí)的實(shí)況，如圖5所示。

圖5 三維掃描時(shí)的實(shí)況

4.4 擬合對比

根據(jù)四次對比的要求，分別將基準(zhǔn)模型和需對比的模型導(dǎo)入Geomagic Control軟件，選擇封頭上的4個(gè)開孔圓，創(chuàng)建4個(gè)特征面作為擬合特征，然后對齊模型特征，再設(shè)置偏差值的范圍，經(jīng)計(jì)算，即可獲取3D偏差色譜圖。從3D圖的顏色分布，可直觀地獲取變形位置、變化趨勢及變形偏差值等信息。

5 封頭的變形量

5.1 堆焊前的封頭尺寸

將封頭堆焊前的第一次掃描數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Control軟件中，構(gòu)建4個(gè)孔的表面和封頭端面，并標(biāo)注4個(gè)孔的空間角度尺寸。標(biāo)注后的封頭圖形，如圖6所示。

圖6 第一次掃描后的三維模型

三維掃描解決了空間角度的測量問題，通過掃描測量的結(jié)果，可看出4個(gè)接管孔的空間角度符合圖紙要求。實(shí)測的封頭尺寸，如表1所示。

表1堆焊前封頭的尺寸

尺寸代號名義尺寸實(shí)測值190°89.71°280°80.58°3105°105.05°485°84.66°645°45.87°745°45.47°848°47.32°950°50.04°

5.2 堆焊后封頭的尺寸

將第二次掃描模型與第一次掃描模型進(jìn)行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖7所示。

圖7 第二次掃描與第一次掃描模型對比圖(淺色為外凸，深色為內(nèi)凹)

從圖7可知，內(nèi)壁堆焊后，封頭中心及端面、邊緣的未堆焊區(qū)域，基本無變形。在4個(gè)開孔處的下部邊緣，發(fā)生了變形，小孔口的平均變形量，約內(nèi)凹2.6 mm，最大變形量為內(nèi)凹3.12 mm。大孔口的平均變形量，約內(nèi)凹2.2 mm，最大變形量為內(nèi)凹2.36 mm。其它位置的變形量，小于2.0 mm。

5.3 再次堆焊后封頭的尺寸

將第三次掃描模型與第一次掃描模型進(jìn)行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖8所示。

圖8 第三次掃描與第一次掃描模型對比圖

從圖8可知，手工堆焊封頭中心的內(nèi)壁后，平均變形量約為外凸2 mm，最大變形量為外凸2.54 mm。4個(gè)開孔處的下部邊緣發(fā)生了變形，在孔的上部略有變形，小孔口的平均變形量約為內(nèi)凹4.8 mm，最大變形量為內(nèi)凹5.33 mm。大孔口的平均變形量，約為內(nèi)凹4.3mm，最大變形量為內(nèi)凹4.53 mm。相比前一次堆焊后的封頭尺寸，再次堆焊后，開孔處的變形量增加，變形量約為2～3 mm，其它位置的變形量基本不變。

5.4 熱處理后的封頭尺寸

將第四次掃描模型與第三次掃描模型進(jìn)行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖9所示。

從圖9可知，封頭經(jīng)熱處理后，各位置的變形量，小于0.5 mm，最大變形量為外凸0.47 mm， 位于小孔及大孔的下部區(qū)域。由此可知，熱處理對封頭變形的影響不大。

圖9 第四次掃描與第三次掃描模型對比圖

將第四次掃描模型與第一次掃描模型進(jìn)行擬合對比，生成的偏差色譜圖，如圖10所示。

圖10 第四次掃描與第一次掃描模型對比圖

從圖10可知，經(jīng)堆焊、熱處理后封頭最終的變形量。在封頭中心區(qū)域的平均變形量，約為外凸1.5～2.3 mm，在中心變形區(qū)域的四周，變形量約為1 mm。在4個(gè)開孔處的下部邊緣發(fā)生了變形，在孔的上部略有變形，小孔邊緣處最大變形量，為內(nèi)凹6.11 mm，平均變形量約為內(nèi)凹4.9 mm。大孔邊緣處最大變形量，為內(nèi)凹5.43 mm，平均變形量約為內(nèi)凹4.8 mm。在封頭端面上部的未堆焊區(qū)域，變形量小于1 mm。

6 結(jié) 語

使用手持式三維掃描儀，通過對封頭的點(diǎn)掃描和表面掃描，構(gòu)建了完整的三維模型。利用數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)多次擬合對比，形成了直觀的偏差色譜圖，快速高效地獲取了封頭的變形數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測量變形量的方法，是測量技術(shù)上的進(jìn)步。三維掃描可為改進(jìn)封頭的加工工藝，更好地控制封頭變形量，提供直觀的測量數(shù)據(jù)。