應(yīng)用于三維數(shù)字化工廠的三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要利用激光測(cè)距原理來獲取目標(biāo)高精度立體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該技術(shù)是隨空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)和激光無(wú)反射棱鏡長(zhǎng)距離快測(cè)距技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)嶄新的革命性測(cè)繪技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于野外地質(zhì)測(cè)量勘測(cè)、橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)量、古建筑高精度模擬存儲(chǔ)、公共服務(wù)等領(lǐng)域。

三維激光掃描原理及裝備

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的主要測(cè)量裝備是三維激光掃描儀?；具\(yùn)行過程是通過激光測(cè)距儀進(jìn)行觀測(cè)，并在高速激光測(cè)距儀前端放置反射棱鏡組合，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)由掃描儀主動(dòng)發(fā)射激光脈沖，再通過調(diào)整棱鏡組合來改變激光位置和方向，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從被測(cè)物體表面再返回的時(shí)間，結(jié)合發(fā)射激光角度計(jì)算出被測(cè)物的表面空間分布。

三維激光掃描儀通過脈沖激光傳播的時(shí)間得到儀器的掃描點(diǎn)空間位置。掃描坐標(biāo)系定義為：坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處，掃描儀的理論豎直軸(水平時(shí)的天頂方向)為Z軸，掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的零方向?yàn)椋剌S，Y 軸與Ｘ軸、Ｚ軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。對(duì)于單個(gè)采集點(diǎn)，原點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的距離為PL，掃描儀測(cè)得的水平和豎直掃描角度分別為α和β，則被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)公式為：

x=PLcosβcosα

y=PLcosβsinα

z=PLsinβ

三維激光掃描儀的工作原理有兩種：脈沖式和相位式。相位式測(cè)距原理是根據(jù)激光發(fā)射到接收間隔內(nèi)相位的變化，來計(jì)算所測(cè)距離。相位特點(diǎn)：掃描速度快；高點(diǎn)云密度；高精度；掃描距離短。脈沖式測(cè)距原理是激光從發(fā)射到接收之間的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算距離。脈沖特點(diǎn)；掃描距離遠(yuǎn)；應(yīng)用范圍廣。

本次工程是掃描測(cè)量吉利汽車杭州彎基地FE-3車型主線區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用Leica公司Leica P20便攜式三維激光掃描儀，掃描測(cè)距誤差：測(cè)距50 m處誤差3 mm；測(cè)距100 m處誤差6 mm；測(cè)距噪音：≤ 1 mm。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和整理

在開始掃描前熟悉工廠環(huán)境，進(jìn)行掃描站點(diǎn)規(guī)劃：設(shè)備及遮擋物比較少的區(qū)域安排掃描站點(diǎn)較少；設(shè)備復(fù)雜，遮擋物多，工作上有困難區(qū)域，安排掃描站點(diǎn)較多。站點(diǎn)與站點(diǎn)間要有一部分掃描區(qū)域重疊，以便掃描后各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)整合。

汽車焊裝生產(chǎn)線設(shè)備較多，掃描點(diǎn)云數(shù)量龐大，含有大量的冗余信息。通過對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理，消除雜點(diǎn)并裁剪掉與焊裝生產(chǎn)線無(wú)關(guān)的點(diǎn)云。

由于汽車焊裝生產(chǎn)線設(shè)備復(fù)雜遮擋物多，所以需要多個(gè)位置進(jìn)行掃描，才能得到汽車焊裝生產(chǎn)線完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)各個(gè)掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行拼接才能實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系下。在cyclone軟件下，將不同測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過重疊點(diǎn)云比對(duì)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)對(duì)齊、拼接等擬合操作，完成不同坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系。吉利FE-3車型主線整合點(diǎn)云如圖1所示。

圖1  吉利FE-3車型主線整合點(diǎn)云(DMWorks軟件環(huán)境)

按點(diǎn)云調(diào)整、構(gòu)建布局

先按照汽車焊裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)平面圖，對(duì)已有的三維CAD數(shù)據(jù)在SIEMENS公司Process Designer軟件中進(jìn)行布局，再將整合完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為POD格式導(dǎo)入SIEMENS公司的Process Simulate軟件。由于產(chǎn)線設(shè)備存在安裝誤差和生產(chǎn)過程的位置誤差，在Process Simulate軟件中有許多設(shè)備位置與點(diǎn)云數(shù)據(jù)不一致（見圖2）。對(duì)與點(diǎn)云位置不一致的設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，使設(shè)備三維特征與設(shè)備點(diǎn)云特征重疊設(shè)備完成位置校準(zhǔn)（見圖3）。

圖2  吉利FE-3車型主線點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始3D數(shù)據(jù)不一致

圖3 吉利FE-3車型主線位置效準(zhǔn)后的3D數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)

結(jié)語(yǔ)

本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于汽車焊裝生產(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(zhǔn)確性的問題。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域可以用較短的時(shí)間、較少的費(fèi)用構(gòu)建三維工廠布局，有效對(duì)工廠、設(shè)備進(jìn)行可視化管理，并且確保實(shí)際工廠的變更事項(xiàng)持續(xù)反映到原先被構(gòu)建的三維數(shù)字化工廠。