基于三維激光掃描投影系統(tǒng)實(shí)物（Iris）的安裝應(yīng)用

袁棲茜 莫龍 薛小強(qiáng) 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(shí)物表面的三維數(shù)據(jù)，利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)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(shí)物安裝位置。經(jīng)實(shí)船安裝應(yīng)用，Iris能很好地滿足生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)物的安裝要求，不僅掃描范圍大、速度快、精準(zhǔn)度高、操作簡(jiǎn)單，而且可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)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(lèi)號(hào)：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)物重構(gòu)、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念相繼涌出，人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)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(yùn)而生。三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它是把傳統(tǒng)的單點(diǎn)式采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)連續(xù)獲取數(shù)據(jù)，由逐點(diǎn)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、全自動(dòng)化、復(fù)雜環(huán)境測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，克服傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的局限性，成為直接獲取被測(cè)實(shí)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(cè)量成本，節(jié)約了時(shí)間，使用方便，而且應(yīng)用范圍廣，在工業(yè)制造、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有很寬廣的發(fā)展空間。

目前，國(guó)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(jìn)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(lái)掃描獲取實(shí)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(chǎng)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(shí)物安裝位置，既省時(shí)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(cè)量速度和操作簡(jiǎn)便的同時(shí)，確保了測(cè)量的高精度。船舶設(shè)備基座安裝采用多點(diǎn)三維激光掃描，獲取相對(duì)于整個(gè)船體基準(zhǔn)和當(dāng)前艙室基準(zhǔn)，得到多個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行均方差后確定出一個(gè)正確基準(zhǔn)，將基座影像投影到該基座實(shí)際安裝位置基準(zhǔn)上進(jìn)行裝配。比如：機(jī)柜的安裝，通過(guò)應(yīng)用激光三維成像原理，將機(jī)柜實(shí)體特別是安裝孔等特殊點(diǎn)，成像輪廓或關(guān)鍵點(diǎn)3D投影于基座上，施工人員直接根據(jù)投影點(diǎn)進(jìn)行定位打樣，完成后再吊裝機(jī)柜，這樣可大大地節(jié)省人工成本和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)達(dá)到吊裝機(jī)柜一次成功，有效規(guī)避機(jī)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(shí)現(xiàn)公司工藝工裝方法升級(jí)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(jué)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(duì)物體進(jìn)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(diǎn)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。另外，零件的任何移動(dòng)將自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新定位。

系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jué)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(duì)被掃描的部件進(jìn)行掃描定位;然后將部件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)軟件，經(jīng)過(guò)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(jī)中;在投影處理程序PDC中打開(kāi)，把需要投影的點(diǎn)、線、輪廓按照投影的順序、基準(zhǔn)等逐條選出來(lái)，把需要加的提示信息及投影控制等設(shè)置好，形成一個(gè)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(lái)，并與實(shí)際部件模型進(jìn)行對(duì)比。

2.3 操作步驟

以大型特種設(shè)備機(jī)柜為例，系統(tǒng)的操作步驟如下：

（1）將設(shè)備機(jī)柜圖紙轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)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(jī)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(cè)量機(jī)柜的孔位和外形尺寸，將數(shù)據(jù)送至系統(tǒng)軟件，然后進(jìn)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(jī)柜圖紙，利用系統(tǒng)自帶的畫(huà)圖軟件繪制成三維模型圖;

（2）利用空間定位器現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)云數(shù)據(jù);

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

（4）將機(jī)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(guò)程可查看基座安裝是否正確，如需修改可及時(shí)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(chǎng)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(dòng)，可以確定機(jī)柜模型在安裝位置上真實(shí)空間布局。

（2）在透視方式下，通過(guò)軟件對(duì)3D模型進(jìn)行切割處理，使投影得到特殊平面視圖，將模型特征點(diǎn)、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(jìn)行定位、配鉆，完成機(jī)柜安裝工作。

4 實(shí)船安裝應(yīng)用

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性與可靠性，使用該系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行掃描投影：

如圖2所示，在實(shí)體上的輪廓線與實(shí)體完全一致，說(shuō)明掃描物體正確。但實(shí)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(shí)候，若掃描過(guò)程中又是按光滑表面測(cè)量計(jì)算的，這樣就會(huì)導(dǎo)致掃描結(jié)果和實(shí)際尺寸產(chǎn)生誤差，需要在測(cè)量過(guò)程中消除;類(lèi)似設(shè)備結(jié)構(gòu)平行面、垂直面有偏差時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相同的情況，也需要通過(guò)修正辦法使掃描數(shù)據(jù)和實(shí)際尺寸完全一致。

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

系統(tǒng)獨(dú)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(shí)際狀況來(lái)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(gè)安裝零件模型與其輪廓投影的對(duì)比。在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)安裝件是不可以隨意挪動(dòng)的，比如大型特種設(shè)備機(jī)柜，重達(dá)一、兩百公斤，挪動(dòng)起來(lái)非常吃力。但通過(guò)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(guò)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(shí)體機(jī)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(chǎng)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(shí)體模型任意點(diǎn)之間的相對(duì)位置，改變空間布置只不過(guò)是相對(duì)視角不同而已。

在機(jī)柜和基座的實(shí)際安裝過(guò)程中，系統(tǒng)軟件繪制或掃描形成的機(jī)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(gè)獨(dú)立的基座平面需采集12個(gè)點(diǎn)左右生成三維模型，如圖7所示：

利用系統(tǒng)軟件將機(jī)柜三維模型圖與基座三維模型圖進(jìn)行模擬裝配，該過(guò)程可查看機(jī)柜安裝位置及安裝孔大小是否有偏差，如有偏差可及時(shí)進(jìn)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(jìn)行機(jī)柜安裝要素投影。激光設(shè)備投影時(shí)，既可單一點(diǎn)位置，又可整體投影安裝要素，該過(guò)程無(wú)需搬裝機(jī)柜畫(huà)孔定位，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)時(shí)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(jī)柜安裝精度要求，首制船單個(gè)機(jī)柜定位安裝時(shí)間約為85分鐘，后續(xù)船由于無(wú)需再次采樣機(jī)柜三維數(shù)據(jù)，所以單個(gè)機(jī)柜定位安裝時(shí)間縮短為55分鐘，速度提高30%左右。本安裝工藝在裝配過(guò)程中能早期發(fā)現(xiàn)施工錯(cuò)誤，防止返工作業(yè)，節(jié)約人工和時(shí)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(guò)三維實(shí)體測(cè)量，將模擬實(shí)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(jìn)行裝配，不僅減少了人工多次施工測(cè)繪，而且減少了機(jī)柜反復(fù)吊裝次數(shù)，避免機(jī)柜損傷，大大地提高了現(xiàn)場(chǎng)施工裝配水平，同時(shí)也減少了勞動(dòng)成本。

先進(jìn)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(jiǎn)單，而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了勞動(dòng)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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