激光三坐标扫描仪在锻造行业检验工序中的应用

韦维奇

摘 要：通过简述锻造行业的特殊性及锻件尺寸检测的特殊需求和对激光三坐标扫描仪的产生背景描述，并简述激光三坐标扫描仪的技术原理和组成结构，同时对激光三坐标扫描仪与传统锻件划线检测手段的数据收集和对比分析。结果表明使用激光三坐标扫描仪对锻件尺寸进行检测时作业步骤数少、检测数度快、检测精度高、所需辅助工具少、对人员要求低、数据可靠性高，在总体效率上明显超越传统划线检验方式。

关键词：激光三坐标扫描仪；技术原理；组成结构；传统锻件划线；对比；尺寸检测；

1 引言

锻造行业属于特种加工行业，具有产品温度高、加工难度大、生产节拍快、质量控制效率低、人员劳动强度高等特点，在电子技术和机器人应用突飞猛进的20世纪八十年代以后前三项难点已获得基本解决，但是质量控制效率低、人员劳动强度高特别是质检人员劳动强度高的两大难题并未获得根本性解决。因此，广大锻造行业的科研人员不断的在寻求新的更高效更快速更高精度的锻造产品测量（尺寸）技术手段。三维激光扫描技术依靠其所具有的快速性，不接触性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，在锻造行业检验工序中迅速获得了广泛的应用，创造了巨大的经济效益。

2激光三坐标扫描技术原理

激光三坐标扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，具体可描述为：扫描摄像头配备双摄像头传感器，能够在其操作空间内测量反射器。双摄像头传感器还可提供扫描摄像头的精确定位，同时还能连续采集和传输图像，确保反射器亮起，并管理与计算机之间的交互和传感器参数存储。双摄像头传感器的摄像头在扫描摄像头上看到相同的定位目标图案。通过三角测量，软件能够确定扫描仪的位置，找到扫描仪在空间中的位置后，通过投射到表面的激光线的观察完成表面采集。随着激光扫过表面，设备根据三角测量的定位记录数据（如图1所示）。

通过以上手段可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。

其中手持型三维激光扫描系统因为其价格低、检测精度高、便携性强，在锻件产品检测中应用最为广泛。它可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，并且能直观、准确、快速的输出检测数据。显著提高了工作效率和质量！

3激光三坐标扫描仪组成结构

3.1扫描摄像头（如图2所示）----

激光三坐标扫描仪一般配备一组扫描摄像头，能够在其操作空间内测量反射器。扫描摄像头依靠双摄像头传感器的精确定位，同时还能连续采集和传输图像，并管理与计算机之间的交互和传感器参数存储。

3.2双摄像头传感器（如图3所示）----

双摄像头传感器的摄像头在扫描摄像头上看到相同的定位目标图案。通过三角测量，软件能够确定扫描仪的位置，找到扫描仪在空间中的位置后，通过投射到表面的激光线的观察完成表面采集。随着激光扫过表面，设备根据三角测量的定位记录数据。

3.3控制器（如图4所示）----

三坐标扫描仪控制器的主要作用是控制扫描摄像头和双摄像头传感器之间的配合作业，保证以上两套相对独立的设备的协作配合，同时接受计算机的控制，保证数据数据收集作业的正常进行。

3.4计算机----

计算机是三坐标扫描仪专用软件的载体，负责分析扫描摄像头和双摄像头传感器传输来的数据，同时反向监控扫描摄像头、双摄像头传感器和控制器，保证数据的运行。

3.5打印机----

打印机是计算机运算数据后的数据主要输出设备，用于将计算机处理后的数据打印在相关介质（纸张）上，供技术人员查阅和备案。

4激光扫描检测与传统锻件划线检测手段的简介和对比

4.1传统划线方式简述（以曲轴锻件检测为例）----

传统划线方式步骤和方式较复杂，大致可分为：调平曲轴锻件→校对中心→计算曲轴锻件水平方向高度→划曲轴锻件横向中心线→测量锻打厚度方向直线度→测量平衡块圆弧面半径→计算曲轴水平方向高度→测量锻打水平方向直线度→测量锻件横向尺寸→垂直放置曲轴→调垂直→人工计算纵向中心→划纵向中心线→校对纵向中心→测量纵向尺寸→测量结果的处理等步骤。

从以上描述和图2-图9的展示中我们可以发现传统划线检测方试步骤多、工序复杂、执行难度大、对人员要求高、效率低、误差大、易出错。

4.2激光扫描检测方式简述（以曲轴锻件检测为例）----

将曲轴锻件摆放于双摄像头传感器的摄像头能发现定位标点个数最多的位置（一般要求不高）→启动计算机专用软件调整参数→粘贴定位标点粘贴纸开始扫描→扫描完成后计算机专用软件系统处理数据并在计算机屏幕上显示锻件模拟图像→计算机按照事先编辑好的数据（表格）显示数据→操作打印机打印数据。

从以上描述和图13 - 图17的展示中我们可以发现激光扫描检测方式步骤少、工序简单、执行难度小、对人员要求低、效率高、误差小，不易出错。

以下是两种锻件尺寸检测方式的细节对比：

5优劣判定和总结

通过上表中数据的对比我们可以发现使用激光三坐标扫描仪对锻件尺寸进行检测时作业步骤数少、檢测数度快、检测精度高、所需辅助工具少、对人员要求低、数据可靠性高，在总体效率上明显超越传统划线检验方式，但是激光三坐标扫描仪又存在着造价高、结构相对复杂、保养要求高等不足，一般的中小企业难以大规模普及应用的不足。

当前中国精密锻造行业经过了数十年的发展其技术水平越来越高，其自动化水平和质量水平直接决定了企业的竞争能力。因此，企业对检验手段的快速性、高效性、准确性的要求也就越来越高，以求在激烈的市场竞争环境中夺得主动。

寻求和装备快速、高效、准确的检验设备已成为大型锻造企业发展的必经途径，而传统划线检测手段因为检测方式落后低效等因素必然要将检验的主体地位让位于类似激光三坐标扫描仪等类型的高科技检验装备。

参考文献：

[1] 毛方儒，王磊.三维激光扫描测量技术[J]，宇航计测技术： 2005.25（2）

[2] 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析 [J]，测绘工程： 2005，14（2）：32-34.

[3] 许智钦，便携式彩色三维激光扫描系统的研究： [D].天津：天津大学， 2002.2.