應用于三維數(shù)字化工廠的三維激光掃描技術(shù)

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

三維激光掃描原理及裝備

三維激光掃描測量技術(shù)的主要測量裝備是三維激光掃描儀?；具\行過程是通過激光測距儀進行觀測，并在高速激光測距儀前端放置反射棱鏡組合，在進行測量時由掃描儀主動發(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，測量每個激光脈沖從被測物體表面再返回的時間，結(jié)合發(fā)射激光角度計算出被測物的表面空間分布。

三維激光掃描儀通過脈沖激光傳播的時間得到儀器的掃描點空間位置。掃描坐標系定義為：坐標原點位于激光束發(fā)射處，掃描儀的理論豎直軸(水平時的天頂方向)為Z軸，掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向為Ｘ軸，Y 軸與Ｘ軸、Ｚ軸構(gòu)成右手坐標系。對于單個采集點，原點到被測點的距離為PL，掃描儀測得的水平和豎直掃描角度分別為α和β，則被測點的坐標公式為：

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，來計算所測距離。相位特點：掃描速度快；高點云密度；高精度；掃描距離短。脈沖式測距原理是激光從發(fā)射到接收之間的脈沖個數(shù)計算距離。脈沖特點；掃描距離遠；應用范圍廣。

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

點云數(shù)據(jù)的獲取和整理

在開始掃描前熟悉工廠環(huán)境，進行掃描站點規(guī)劃：設備及遮擋物比較少的區(qū)域安排掃描站點較少；設備復雜，遮擋物多，工作上有困難區(qū)域，安排掃描站點較多。站點與站點間要有一部分掃描區(qū)域重疊，以便掃描后各站點數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)整合。

汽車焊裝生產(chǎn)線設備較多，掃描點云數(shù)量龐大，含有大量的冗余信息。通過對點的數(shù)據(jù)整理，消除雜點并裁剪掉與焊裝生產(chǎn)線無關(guān)的點云。

由于汽車焊裝生產(chǎn)線設備復雜遮擋物多，所以需要多個位置進行掃描，才能得到汽車焊裝生產(chǎn)線完整的點云數(shù)據(jù)。對各個掃描站點數(shù)據(jù)點云進行拼接才能實現(xiàn)不同坐標系點云數(shù)據(jù)整合到同一坐標系下。在cyclone軟件下，將不同測站的點云數(shù)據(jù)導入，通過重疊點云比對，進行點云數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)對齊、拼接等擬合操作，完成不同坐標系點云數(shù)據(jù)整合到同一坐標系。吉利FE-3車型主線整合點云如圖1所示。

圖1  吉利FE-3車型主線整合點云(DMWorks軟件環(huán)境)

按點云調(diào)整、構(gòu)建布局

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

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

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

結(jié)語

本文將三維激光掃描技術(shù)應用于汽車焊裝生產(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、設備、水電氣管及建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件完整性和準確性的問題。運用三維激光掃描技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域可以用較短的時間、較少的費用構(gòu)建三維工廠布局，有效對工廠、設備進行可視化管理，并且確保實際工廠的變更事項持續(xù)反映到原先被構(gòu)建的三維數(shù)字化工廠。