三维激光扫描技术在盾构管片模具检测方面的应用获奖科研报告

三维激光扫描技术在盾构管片模具检测方面的应用获奖科研报告摘要：现如今，盾构管片模具的传统检测手段相对落后，本文主要分析了三维激光扫描的技术特点，通过实验将所得数据与传统检测手段获得的数据进行对比，研究在盾构管片模具的检测中应用三维激光扫描技术的优势以及可行性。

关键词：模具检测；盾构管片；三维激光扫描

在采用盾构法构建的隧道中，盾构管片是整个隧道建筑的主体，因此盾构管片的尺寸精度直接影响着整个隧道的净空限界。国家相关规定指出，工程中需要对盾构管片的尺寸严格把控。由于盾构管片的载体是管片模具，因此盾构管片的尺寸精度直接由管片载体决定。由于现有的传统检测手段比较落后，对于管片模具的检测还只是停留在二维检测，对于管片模具是否发生整体变形根本无法检测出来。三维激光扫描技术这项高新技术始于上世纪十九年代中期，是一项测绘技术领域的新突破[1]。其通过对被测物体表面大量密集点的三维坐标进行有效记录，再利用激光测距原理，可以将被检测目标的线、面、体各方面数据以及其三维模型快速的勾勒出来。

一、采用三维扫测量管片模具

（一）三维扫描仪的技术规格及工作原理

三维激光扫描仪中的主要系统包括跟踪器和扫描仪，本文详细介绍的为MetraSCAN三维扫描仪，其工作原理为：在设备中配有红色线的激光发生器，长为635nm，同时配备两个工业相机和一个闪光灯。当扫描仪进行工作时，激光线就会直接照射在物体表面，再由两个工业相机对这一瞬间进行捕捉，最终得到三维扫描的数据[2]。由于物体不同部位其曲率也不同，因此当光线照射在物体表面时会自然的发生折射和反射，通过将现实物体的外观数据与表面特征进行扫描，连接计算机并通过相关的软件，即可将获取的信息自动生成物体的三维模型，这时就可以将原三维模型与实际测量出来的三维模型进行对比，以此来实现利用三维扫描仪对管片模具进行自动检测。

（二）三维扫描仪的工作流程

三维激光扫描仪的整体工作流程主要分为三部分，其中包括外业工作、数据的处理以及成果的输出[3]。

外业工作包括对仪器进行预热、对仪器进行校准、对标靶进行测量以及通过三维扫描进行测量。仪器校准：对跟踪器的校准主要有四种采集顺序，其中覆盖了垂直、水平以及轴向三个被测量体轴。对扫描仪进行校准需要将校准板放在平面上，保证其处于平稳的状态，再根据跟踪器的位置来调整校准板的位置，直到满足测试要求为止。单击扫描仪上的触发按钮，将扫描仪放在校准板上调整位置，直到电脑屏幕中可以显示图像为止，并按照软件显示的操作提示进行校准。检测标靶：将跟踪器的跟踪检测范围调到1.5～4.2m，由于管片的平均长度就在3.4m左右，因此无法一次性就覆盖整个管片模具。这时可采用搭接的方式将定位标靶依次进行采集，最后将标靶均匀的分布在腔内。管片模具扫描：采用扫描仪对模具进行扫描操作，其中需要扫描边界、孔位以及表面等各个部位。

数据处理包括对数据首先进行预处理，之后根据相关软件生产参考与测试模型，最后通过对齐方式进行最佳拟合对齐。扫描数据预处理：先将扫描后的数据导入到相关专业软件中，通过去除噪声等干扰来对数据进行优化处理。最佳拟合对齐：分两次对管片模具进行扫描，将初次扫描后的数据定为参考模型，第二次扫描后的数据定为测试模型，将两组数据建立起统一的坐标系，通过模型的叠加可生成一个3D的色谱偏差图，最后再进行最佳拟合对齐即可。

成果输出包括对偏差色谱图进行3D对比，最后根据对比结果知道工厂对管片模具进行修复。

二、实例分析

利用三维扫描仪检测管片模具的整个过程中，只有最佳拟合这一步骤的效果是不可控的，因此本文主要对此通过实验进行检验。本次实验主要采用的B3-13块管片模具，分为三组数据，对数据两两一组分别进行对比分析。第一组数据是对该管片模具进行三维扫描后，用A表示第一组数据模型，用a表示用精度为0.02mm的内径千分尺测量出的管片模具宽度；第二组数据是第二次对该管片模具进行三维扫描后，用B表示第二组数据模型，用b表示用精度为0.02mm的内径千分尺测量出的管片模具宽度；在完成第二次扫描后，轻微打开螺栓，并对该膜片进行第三次扫描，此次扫描用C表示，用c表示用精度为0.02mm的内径千分尺测量出的管片模具宽度，千分尺的测量结果两两对比见表1和表2。

三维扫描仪这种全新的检测方式是通过扫描的方式直接获取物体三维信息的，其可以将扫描到的物体信息直接转化为数字信号，这样一来就可以方便计算机直接对扫描到的数字信号进行处理。不仅如此，其在获取零件信息时无需接触零件表面，获取信息的精度高，且用时非常短。如果需要对发送机配置线中已经装配完成的部件进行检查，可以利用三维扫描仪对其进行整体性的三维扫描，然后再将扫描后所得到的三维图像和预设的标准三维图像进行全方位的比较，判断其是否合格。一旦发现采集到的三维图像与预设图形不一致，HMI面板就只直接显示零件不合格，或者设备会发出警报的信号，这时挡停会对不合格零件实施自行放行，直至将问题零件送到返修的工位。待返修人员将问题零件进行返修并重新上线进行检测，检测合格后才能够进行下一步操作，这样一来就很大程度上保证了最终装配的质量。

（一）在发动机活塞销卡环节监测的应用

汽车发动机在其运行过程中，由于机油的燃烧会在发动机燃烧室产生巨大的高压高温气体，这些气体会直接作用于活塞的顶部，然后再通过发动机内的活塞销孔不断地向连杆传送力矩。为了保证在发动机运行的过程中，活塞销不会发生窜动，在对活塞进行分装时，首先需要做的就是将活塞销装入活塞孔中，然后还需要将活塞销卡环按要求安装在锁环槽内。传统的检测活塞安装是否出错的方式有二维拍照检测或者直接使用接触式测量，但是由于活塞的装配环境非常的变幻无常而且很复杂，因此这种传统的试错方式很难保证完全识别所有的装配错误问题。

采用三维扫描技术检测活塞时，三维扫描仪可以在活塞卡簧的安装部位投射光线，这时两台CCD相机可以在该部位同步进行拍照，将图像采取后在通过头像采集卡对图像进行处理，最后再与标准安装视图进行全方位对比。这样一来就可以有效解决活塞的配置问题，最终保证配置质量。

结语

综上所述，在对盾构管片模具进行检测时，利