劉聯(lián)紅 饒建榮 洪偉

摘 ? ?要：目前常用的合攏管測量方法存在一定缺點(diǎn)，包括可測量場景受限、工作效率低等。本文提出一個(gè)改進(jìn)的手持三維激光掃描測量解決方案，包括測量方法、輔助工具、數(shù)據(jù)處理，以提高測量和設(shè)計(jì)的工作效率。

關(guān)鍵詞：手持三維激光掃描；合攏管

中圖分類號：U671.99?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Portable 3D Scanning Improvements for Closure Tube Measurements

Liu Lianhong， ?Rao Jianrong， ?Hong Wei

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd.，Guangzhou 510727 ）

Abstract： There are some disadvantages of the existing Closure tube measurement methods， including limited measurable scenarios， low efficiency， etc. This paper proposes an improved portable 3D scanning measurement solution， including measurement methods， auxiliary tools and data processing to improve the efficiency of measurement and design.

Key words： Portable 3D laser scanner; Closure tube

1 ? ? 前言

目前國內(nèi)合攏管測量方法，主要包括：拉繩測量、光筆測量、攝影測量、手持三維激光掃描等，這些測量方法均存在一些缺點(diǎn)。本文介紹一種改進(jìn)的手持三維激光掃描的測量方案，以期進(jìn)一步提高效率。

2 ? ? 現(xiàn)有測量方法簡介

（1）拉繩測量

使用拉繩傳感器測量一對法蘭的相對空間位置：在一端法蘭安裝拉繩測量機(jī)，另一端法蘭的3個(gè)螺栓孔安裝輔助定中裝置，測量機(jī)從3個(gè)位置測量與另一端3個(gè)螺栓孔的距離，根據(jù)3組數(shù)據(jù)計(jì)算得到兩個(gè)法蘭的相對位置，這是目前應(yīng)用最多的測量方法。

該方法受制于拉繩傳感器的精度極限，通常為1.5 mm左右。測量時(shí)要裝拆測量機(jī)、螺栓孔定中裝置，還需拆裝管端的保護(hù)，同時(shí)測量場景受限，法蘭之間不能有障礙物，管子不能太密集，不適于小管徑。

（2）光筆測量

使用光筆測量機(jī)測量一對法蘭的相對位置：兩端法蘭各選3個(gè)螺栓孔安裝輔助定中裝置，通過光筆測量機(jī)測量獲得這6個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，經(jīng)計(jì)算獲得一對法蘭的相對位置。

光筆測量精度高，測量效率有所提升，測量場景受限較少。但在管子密集、現(xiàn)場空間狹小的場景下，測量機(jī)三腳架擺放和光筆擺放仍受限，須拆裝部分管端保護(hù)，以便裝拆螺栓孔定中裝置。

（3）攝影測量

在法蘭兩端各選3個(gè)螺栓孔安裝輔助定中反射靶點(diǎn)，測量現(xiàn)場也布置若干反光靶點(diǎn)，采用照相機(jī)多角度拍攝多張圖片，經(jīng)軟件進(jìn)行圖片處理獲得一對法蘭的空間位置。

該方法測量精度較高，受法蘭間障礙物影響較少，不受管徑限制，受限場景較少；但需要布設(shè)的反射靶點(diǎn)較多，需要在螺栓孔裝拆定中靶點(diǎn)和拆裝管端保護(hù)，部分狹小場景仍然受限。

（4）手持三維激光掃描測量

采用手持三維激光掃描機(jī)，法蘭兩端各選3個(gè)螺栓孔安裝輔助定中反射靶點(diǎn)，用貼有反射靶點(diǎn)的折疊拉桿連接一對法蘭，掃描后經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得兩個(gè)法蘭的相對位置。

該方法測量精度高，手持設(shè)備便攜，但仍需裝拆輔助定中裝置和管端保護(hù)。

以上介紹的這些測量方法，都是逐對法蘭測量、逐根合攏管數(shù)據(jù)處理和設(shè)計(jì)。如果出現(xiàn)圖1所示的多管場景，由于設(shè)計(jì)過程中無法進(jìn)行多管走線和空間位置協(xié)調(diào)，其走線很可能不合理、不協(xié)調(diào)，甚至發(fā)生干涉，且在設(shè)計(jì)階段無從檢查驗(yàn)證，在安裝時(shí)才能發(fā)現(xiàn)及處理。

3 ? ? 改進(jìn)的手持三維激光掃描測量方案

目前手持三維激光掃描機(jī)已在多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，具有高速、高精度、便攜等優(yōu)點(diǎn)。全套測量裝置，包括手持三維激光掃描機(jī)、配套的筆記本電腦、移動(dòng)電源、配套軟件等。

3.1 ? 改進(jìn)方案概述

本方案使用手持手持三維激光掃描機(jī)，對一個(gè)小區(qū)域的多對合攏管法蘭進(jìn)行掃描測量（見圖1）。測量時(shí)，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)提取方法和配套軟件獲得現(xiàn)場法蘭管子的三維模型，用逆向工程軟件對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，軟件可以是測量機(jī)自帶的軟件，或常用的逆向工程軟件，如Geomagic ControlX、GOM Inspect Professional等。

數(shù)據(jù)提取方法：數(shù)據(jù)提取螺栓孔所在端面，不使用法蘭密封面，因而可以不拆除管端保護(hù)；提取螺栓孔柱面；提取柱面軸線與端面交點(diǎn)，即螺栓孔中心點(diǎn)；每個(gè)法蘭提取4個(gè)螺栓孔的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲得法蘭空間位置和姿態(tài)。

輸出這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行合攏管設(shè)計(jì)出圖。設(shè)計(jì)軟件利用船廠現(xiàn)有的船舶設(shè)計(jì)軟件（如SPD、AM、CATIA等），此時(shí)可以利用船廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)既有的標(biāo)準(zhǔn)部件庫、工藝參數(shù)庫等完成管子設(shè)計(jì)出圖，供車間加工制作管子，并生成再現(xiàn)機(jī)控制指令，供最后進(jìn)行精確的法蘭裝配。

3.2 ? 反射標(biāo)靶布置優(yōu)化

手持激光掃描需要在目標(biāo)附近布置反射靶點(diǎn)，靶點(diǎn)間距不大于200 mm，與被掃描物間距不大于200 mm，被測物體依靠這些靶點(diǎn)中繼連接。反射靶點(diǎn)通常為直徑6 mm不干膠制品，屬于廉價(jià)耗材。圖1所示的機(jī)艙合攏部位的實(shí)船測量試驗(yàn)，共包含15對法蘭，粘貼反射靶點(diǎn)約150個(gè)，耗時(shí)約30 min。這些粘貼的靶點(diǎn)最后還需撕掉，以免妨礙最后的涂裝質(zhì)量。

改進(jìn)方法：采用預(yù)先貼好反射靶點(diǎn)的磁性膠片或卡片，吸附在法蘭、管子、支架、艙壁等位置（見圖2），可快速完成反射靶點(diǎn)的布置和拆除，還可以重復(fù)使用。對于非磁性材質(zhì)的法蘭，可以使用夾子、彈性卡扣快速固定。通過這個(gè)改進(jìn)方法，可大幅縮短準(zhǔn)備工作耗時(shí)。

3.3 ?現(xiàn)場記錄方式優(yōu)化

現(xiàn)場測量需要辨識并記錄連接管號，以便對照查閱圖紙獲得法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、管子材質(zhì)級別、壁厚、表面處理等信息，因管子已經(jīng)表面處理或涂裝，空間狹小，不易辨識，辨識和記錄工作耗時(shí)且容易發(fā)生錯(cuò)誤。

改進(jìn)方法：使用鏤空字碼的金屬標(biāo)牌。同一編號的標(biāo)牌3個(gè)一組，現(xiàn)場測量前每對法蘭各掛1個(gè)。（由于手持三維掃描的分辨力足夠高，掃描獲得的模型中可以清晰辨識標(biāo)牌的文字，現(xiàn)場可以無需做辨識和記錄，掃描后獲得現(xiàn)場模型，再對照設(shè)計(jì)建模的模型，即可查到連接管號等信息。

第3塊編號標(biāo)牌用于合攏管，在合攏管法蘭裝配完成后用鐵絲綁扎在法蘭上，用于之后焊接、試壓、表面處理、集配、安裝等生產(chǎn)流程的跟蹤，安裝時(shí)根據(jù)標(biāo)牌編號對號安裝，并回收標(biāo)牌重復(fù)使用。

4 ? ?改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 ? 測量現(xiàn)場工作簡化

分段合攏口通常作業(yè)環(huán)境較差，作業(yè)空間狹小。改進(jìn)方案使用的現(xiàn)場設(shè)備，包括手持三維激光掃描機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)電源，全部設(shè)備一個(gè)雙肩包即可攜帶，快速布置好反射標(biāo)靶、編號標(biāo)牌即可開始測量作業(yè)，全部測量工作可以在約30 min左右完成，極大地減少了現(xiàn)場工作強(qiáng)度和時(shí)間，大幅度提高測量的效率和精度。

4.2 ? 測量場景基本不受限

因掃描機(jī)體積小、輕便，基本可以實(shí)現(xiàn)可見即可測。如圖3所示，紅框標(biāo)記的一個(gè)處于隱蔽位置的法蘭，未拆除管端保護(hù)，掃描獲得的螺栓孔柱面并不完整，但仍可提取到足夠精度的數(shù)據(jù)。

4.3 ? 可以批量測量和設(shè)計(jì)

改進(jìn)方案可以一次掃描獲取多對法蘭的三維模型，且可以包括周邊參照物（如艙壁、支架等）。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可獲得同一坐標(biāo)系下每個(gè)法蘭4個(gè)螺栓孔中心點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入管子設(shè)計(jì)軟件批量進(jìn)行管子設(shè)計(jì)，可有效控制管子的走線，尤其是多根合攏管的場景，同時(shí)還可以利用既有的標(biāo)準(zhǔn)零部件庫、工藝參數(shù)庫。

當(dāng)設(shè)計(jì)軟件是全三維的（例如AM、CATIA、FORAN等），還可以將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)加載到對應(yīng)的設(shè)計(jì)模型的合攏口場景，在更直觀的環(huán)境下進(jìn)行合攏管設(shè)計(jì)，更好地進(jìn)行空間協(xié)調(diào)，規(guī)避阻擋物，非常便利地獲取連接管的規(guī)格材質(zhì)級別、表面處理、法蘭標(biāo)準(zhǔn)等信息。

改進(jìn)方案要求對設(shè)計(jì)軟件增加輸出再現(xiàn)機(jī)控制指令功能。再現(xiàn)機(jī)用于將合攏管兩端的連接法蘭空間相對位置的精確再現(xiàn)，以便進(jìn)行精確的合攏管法蘭裝配；其控制指令，實(shí)質(zhì)就是表達(dá)兩個(gè)法蘭相對空間位置的7個(gè)坐標(biāo)——兩個(gè)法蘭的中心距、每個(gè)法蘭面相對X、Y軸的傾角、每個(gè)法蘭螺栓孔的轉(zhuǎn)角。設(shè)計(jì)軟件要實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)算輸出并無難度，只是一個(gè)簡單的空間幾何數(shù)學(xué)問題。

4.4 ? 與現(xiàn)有解決方案結(jié)合

當(dāng)前已有的合攏管測量解決方案，各家的測量方法、設(shè)計(jì)軟件、再現(xiàn)機(jī)及控制指令格式，都是自成體系各自獨(dú)立，不能互相兼容，可以將本改進(jìn)方案與既有解決方案進(jìn)行融合——測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入船廠既有船舶設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用既有解決方案已經(jīng)配置的再現(xiàn)機(jī)，不必單獨(dú)設(shè)計(jì)制造再現(xiàn)機(jī)。為此，需要改進(jìn)船舶設(shè)計(jì)軟件使之可以導(dǎo)入數(shù)據(jù)及輸出再現(xiàn)機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)機(jī)指令的兼容，或?qū)υ佻F(xiàn)機(jī)控制軟件進(jìn)行改進(jìn)，使之兼容設(shè)計(jì)軟件輸出的再現(xiàn)機(jī)指令；或設(shè)計(jì)軟件直接按再現(xiàn)機(jī)所需格式、標(biāo)準(zhǔn)輸出再現(xiàn)機(jī)指令。

4.5 ? 改進(jìn)方案的缺點(diǎn)

目前市場既有的解決方案，都是基于生產(chǎn)車間獨(dú)立應(yīng)用，對測量和設(shè)計(jì)操作人員技能要求不高，車間工藝人員或具有電腦操作能力的工人就可以使用；而本改進(jìn)方案對測量和設(shè)計(jì)的人員技能要求較高，需要能夠熟練操作掃描測量機(jī)、測量軟件、逆向工程軟件、船舶設(shè)計(jì)軟件（管子設(shè)計(jì)模塊）。

5 ? ? 綜述

本文介紹了一種改進(jìn)后的手持三維激光測量方法，主要是通過改進(jìn)數(shù)據(jù)提取方法、軟件及標(biāo)靶布置優(yōu)化、記錄方式優(yōu)化等，進(jìn)行三維空間測量優(yōu)化，結(jié)合設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)出圖，提升合攏管的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制作效率。

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