楊春玉，婁紅莉

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

立體織物作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐燒蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，近年來隨著其技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料也提出了更高的要求，作為增強(qiáng)體的立體織物也向大尺寸、復(fù)雜形面一體化成型發(fā)展，且要求近凈尺寸仿形成型。本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于立體織物厚度、形面的檢測(cè)，通過對(duì)在同一坐標(biāo)系下立體織物實(shí)物、三維圖、模具進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)了任意位置任意點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行多方式的云圖匹配擬合數(shù)據(jù)分析，獲得所需檢測(cè)結(jié)果。

三維激光掃描技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的一種新的激光測(cè)量技術(shù)，它是一種先進(jìn)的全自動(dòng)、非接觸式、高精度的立體式掃描技術(shù)，也稱作實(shí)景復(fù)制技術(shù)。是從復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟繕?biāo)的全景三維數(shù)據(jù)及模型，主要是獲取目標(biāo)的線、面、體、空間等三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［1］。目前主要應(yīng)用于工程領(lǐng)域的復(fù)雜工業(yè)設(shè)備測(cè)量、地質(zhì)應(yīng)用、變形監(jiān)測(cè)；文物保護(hù)領(lǐng)域；空間信息技術(shù)領(lǐng)域及制造領(lǐng)域等［2，3］。

1 三維激光掃描原理及設(shè)備

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)的原理是通過激光測(cè)量距離，利用高速激光掃描的檢測(cè)方法，快速、高效的采集空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)信息，高分辨率獲取被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)［4，5］。

1.2 設(shè)備介紹

本論文采用的設(shè)備為 NDI 三維激光掃描設(shè)備。設(shè)備包含硬件和軟件，其中硬件設(shè)備有光學(xué)跟蹤器、標(biāo)定桿、多向探針、ScanTRAK 激光掃描器等；軟件選用的是 Geomagic 數(shù)據(jù)處理軟件，用于分析掃描數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 立體織物檢測(cè)應(yīng)用

采用 NDI 三維激光掃描設(shè)備，檢測(cè)復(fù)雜形面立體織物的形面及錐形織物的尺寸，通過 Geomagic Control X 軟件分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映立體織物外形面及厚度偏差。

2.1 立體織物尺寸檢測(cè)

用于錐形織物尺寸的檢測(cè)，包括其長(zhǎng)、寬、厚等尺寸，由于此錐形織物厚度尺寸為不等厚，也是此織物的關(guān)鍵參數(shù)，所以對(duì)此織物厚度進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

2.1.1 掃描厚度檢測(cè)法

應(yīng)用三維激光掃描檢測(cè)法對(duì)不等厚錐形立體織物的厚度進(jìn)行檢測(cè)。由于錐形立體織物的結(jié)構(gòu)特征，三維激光掃描器接收信號(hào)受限，織物內(nèi)壁無法采集到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以采用間接掃描方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即先后采集織物編織模具與織物外形面數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析。

2.1.2 擬合數(shù)據(jù)分析

將模具與織物掃描采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、擬合處理，進(jìn)行3D比較。構(gòu)造基準(zhǔn)平面，截取要求測(cè)量點(diǎn)高度，在與平面相交形成的圓周上均勻分布厚度測(cè)量點(diǎn)位置，提取厚度測(cè)量數(shù)據(jù)，厚度檢測(cè)圖如圖1所示。

圖1 厚度檢測(cè)圖

在對(duì)應(yīng)的檢測(cè)位置，采用傳統(tǒng)測(cè)量法得出的厚度值與掃描檢測(cè)得的厚度值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

依據(jù)表1可知，由于傳統(tǒng)帶壓力接觸式測(cè)量，壓力不能穩(wěn)定控制，導(dǎo)致了同一位置的測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，而激光掃描數(shù)據(jù)不存在變動(dòng)；從自身測(cè)量精度來看，傳統(tǒng)檢測(cè)精度低于掃描檢測(cè)精度。由此可見，在厚度檢測(cè)中三維激光掃描檢測(cè)優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)。

2.2 立體織物形面檢測(cè)

2.2.1 復(fù)雜形面掃描

掃描對(duì)象是具有復(fù)雜形面特征的立體織物，仿形范圍要求±0.5 mm。由于形面復(fù)雜，傳統(tǒng)方法已不可檢。

首先標(biāo)定設(shè)備及驗(yàn)證掃描精度，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可信度。用手持激光掃描器完成織物整體形面的掃描，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。所謂點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過三維數(shù)字化掃描儀或其他測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)體表面進(jìn)行三維掃描測(cè)量，得到三維數(shù)據(jù)，并將這些離散數(shù)據(jù)稱為“點(diǎn)云”［6-10］。將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并處理成面片數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 織物面片數(shù)據(jù)圖

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

導(dǎo)入立體織物的理論數(shù)模，將面片數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)齊、初始擬合、最佳擬合等數(shù)據(jù)處理。通過3D比較分析，形成與織物理論數(shù)模對(duì)比色塊云圖。

在色塊云圖中，右側(cè)的顏色差表示立體織物檢測(cè)面片數(shù)據(jù)與理論數(shù)模的偏差范圍，不同的顏色區(qū)域，代表不同程度的尺寸偏差，如圖3所示。

圖3 3D比較色塊云圖

從云圖顏色可識(shí)別此被測(cè)織物整體存在傾斜，織物一側(cè)形面翹曲，另一側(cè)形面塌陷，整體形面符合率為45%，未能達(dá)到形面設(shè)計(jì)要求。具體仿形程度從提取不符合處的偏差值獲得。

按織物形面檢測(cè)要求，提取不同區(qū)域位置測(cè)試點(diǎn)的偏差值進(jìn)行分析，測(cè)試點(diǎn)的偏差值是指被測(cè)織物形面與理論數(shù)模的形面距離差。如表2所示。

表2 不同位置測(cè)試點(diǎn)偏差值（偏差范圍±0.5mm）

表2中曲面點(diǎn)2、4是對(duì)應(yīng)織物塌陷區(qū)域的偏差值，對(duì)比形面設(shè)計(jì)范圍平均超差-0.46 mm；曲面點(diǎn)5、6是對(duì)應(yīng)織物翹曲區(qū)域偏差值，對(duì)比形面設(shè)計(jì)范圍平均超差0.92 mm；曲面點(diǎn)1、3是符合形面要求的偏差值，平均偏差0.13 mm。由偏差值分析，可反饋被測(cè)織物形面仿形程度具體數(shù)值，為工藝改進(jìn)提供精確的參照數(shù)據(jù)。

通過檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，三維激光掃描檢測(cè)法可適用于復(fù)雜形面立體織物仿形程度的檢測(cè)。

3 結(jié)論

（1）三維激光掃描技術(shù)無接觸檢測(cè)解決了復(fù)雜形面類立體織物在帶壓力傳統(tǒng)檢測(cè)方式下無法完成的高精度仿形程度的測(cè)量。

（2）三維激光掃描技術(shù)無接觸檢測(cè)適用于立體織物厚度的測(cè)量，且對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)法具有較高的檢測(cè)精度。

（3）通過數(shù)據(jù)分析得出的色塊云圖可準(zhǔn)確、清晰、直觀地表征立體織物與理論數(shù)模形面仿形程度比例。

（4）通過色塊云圖獲取偏差數(shù)值，可具體說明立體織物與理論數(shù)模形面局部區(qū)域仿形程度的偏差值。

（5）檢測(cè)結(jié)果可反饋指導(dǎo)工藝的改進(jìn)與提升，對(duì)立體織物的檢測(cè)具有重大意義。