三维扫描技术在封头变形检测中的应用

2018-08-18张文博

电站辅机 2018年2期

张文博

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090)

0 概述

没有测量就没有科研，就没有现代工业的发展。三维扫描技术是时代发展的产物，三维扫描技术是继GPS技术以来在测绘领域的又一次技术革命[1]。

在压力容器制造过程中，许多部件经焊接或热处理后，较容易发生变形。变形的部件将影响后续工序的装配。因此，检测部件的变形量，并预测较大的变形将发生在某个环节，从而才能采取相应的措施减小变形。现以某型加热器的封头为检测对象，采用非接触三维扫描技术，获取被测物表面密集的点云数据，真实描述了被扫描对象的整体结构及形态特征。

1 常规检测法与三维扫描技术

常规测量封头变形的方法，是使用封头样板进行测量，将封头样板放置在封头曲面的不同位置，通过测量封头与样板之间的间隙，得出不同状态下该处封头的变形量。该测量方法的随机性较大，测量点的数量有限，无法完整测得封头的外形尺寸，难以精确得到任意点的变化量，更无法对数据进行判断和比较。利用三维扫描技术，有效地避免了基于点数据进行分析造成的局部性和片面性[2]，可对不同状态下的三维模型进行拟合对比，通过偏差色谱图判别出变形位置的变化量，因此，将三维扫描技术引入变形检测领域，具有现实意义。

2 三维测量技术及设备

随着测量精度要求被不断地提高，从单独测量物件的外形尺寸，到测量复杂零件的空间三维尺寸，测量工具也随之更新换代。三维测量技术是对被测物进行全方位测量，确定被测物的三维坐标，从而得到被测物的数据。现利用自定位手持式3D激光扫描仪，展开测量封头方面的研究。3D激光扫描仪无需借助外部的定位系统，只需在被测物表面黏贴定位标点，形成一系列连续三角形，由扫描仪发出7 束交叉的激光线，投射在被测物的表面，经反射后，扫描仪接受采集到的数据，通过三角测量法，实时确定扫描仪与被测物的相对位置，并可在V-Xelements软件中实时显示扫描后生成的图像。将扫描生成的模型导入Geomagic Control软件中，进行数据处理和分析，得出各项平面尺寸、空间尺寸及形位公差。同时可将扫描生成的模型与标准三维模型拟合，得出偏差色谱图，尺寸偏差趋势及数据在屏幕上清晰可见。操作该设备时，较为便捷灵活，且测量精度高。3D激光扫描仪的外形，如图1所示。

图1 三维扫描仪的外形

三维扫描技术是一项集合了测量、仪器光电、图像处理等功能的综合性技术，是获取大量空间数据的有效手段。因此，三维扫描技术已被广泛应用于建筑、设备制造、桥梁等各行业，也被用于逆向工程的重构模型，以及为应急服务、灾害监测提供判断依据[3]。在变形监测领域，常采用台式激光扫描仪，对不同时段的桥梁、路面、堆体的变化进行检测和分析。对于自定位手持式激光扫描仪在变形检测方面的应用，相关的研究结果较少。

3 测量封头的变形量

封头是由模具热压成形，为半球形状。经划线后，在封头上气割4个孔，再将封头置于变位器上，对封头内表面进行带极堆焊，然后对整个封头进行消除应力热处理。封头经过焊接及热处理后将发生变形，但变形位置及变形量无法直观地观察到，需在各过程中分别进行测量，从而获取变形量数据。在封头堆焊及热处理过程中，需对2次堆焊前、最后堆焊完成及热处理后的各个阶段，分别进行4次三维扫描，并将扫描数据进行4次拟合对比。测量封头变形量的流程，如图2所示。

图2 测量封头变形量的流程

3.1 第一次测量

将封头压制成型并气割开孔后，让封头的球面朝上，对封头的外表面进行三维扫描。然后将封头开口朝上，再对封头的内表面进行三维扫描。将2次扫描所得的表面数据导入Geomagic Control软件，对齐封头的特征点，再拼接合成封头的三维模型，该初始模型可作为后续拟合对比时的基准。

3.2 第二次测量

对封头内表面进行堆焊，堆焊层的厚度约3 mm，封头中心未堆焊区的直径约250 mm，距离4个开孔处边缘30～60 mm区域内未堆焊，封头距离端面50～80 mm处未堆焊。在此状态下，对封头的内外表面分别进行扫描，再合成封头的三维模型，将测量结果与第一次扫描的初始模型进行拟合对比，利用软件的计算功能，形成3D偏差色谱图，即可评价堆焊后封头的变形情况。

3.3 第三次测量

再次进行封头堆焊，同时手工堆焊封头的中心区，堆焊层的厚度约6 mm，4个开孔边缘30～60 mm区域未堆焊，封头距离端面50～80mm处未堆焊。在此状态下，再对封头的内外表面分别进行扫描，待合成为三维模型后，将测量结果与初始模型进行拟合对比，通过形成的3D偏差色谱图，评价再次堆焊后封头的变形情况。

3.4 第四次测量

经过2次堆焊后，对封头进行焊后热处理(热处理温度600～640℃，保温1h)。热处理后，对封头内外表面进行第四次扫描，将测量结果分别与第三次扫描模型及第一次扫描的初始模型进行拟合对比，通过形成的3D偏差色谱图，评价整体热处理后封头的变形情况。

4 三维扫描数据测量

4次三维扫描的步骤相同，但扫描数据的采集，是后续数据分析处理的关键。扫描时，主要的操作过程为实物准备、扫描定位标点、扫描表面及拟合对比。三维扫描封头的测量流程，如图3所示。

图3 三维扫描的测量流程

4.1 实物准备

三维扫描前，需清理封头的内外表面，避免有异物产生的无效特征点。在封头表面黏贴定位标点，标点的间距为20～100 mm，在开孔边缘及封头底部等拐角区域，需黏贴较多的定位标点。黏贴的定位标点呈三角排列，若整齐地排列成直线，将会影响该处的特征显示。黏贴内表面定位标点的封头，如图4所示。

图4 内表面贴定位标点图

4.2 扫描定位标点

启动三维扫描仪，建立三维坐标，对封头表面的定位标点进行扫描。采集到封头表面定位标点处的点云数据，将在计算机中形成具有定位标点的图形，可为后续扫描提供定位依据。若发现某些定位标点无效，也可单独删除，以免影响后续数据的处理。

4.3 扫描表面

选择网格扫描模式，对封头表面进行整体扫描，将每个平面、转角等几何形状扫入系统，尤其需仔细扫描开孔的边缘处。通过扫描，最终生成封头模型。在扫描过程中，保持三维扫描仪与封头之间的距离，约为30 cm。从封头顶端开始扫描，从上至下，再单向绕行封头一周。对封头进行全面扫描时，应有10 cm重叠的扫描区域。对于开孔区域，需将扫描仪倾斜某角度，确保扫描激光能照射到所测的部位。三维扫描时的实况，如图5所示。

图5 三维扫描时的实况

4.4 拟合对比

根据四次对比的要求，分别将基准模型和需对比的模型导入Geomagic Control软件，选择封头上的4个开孔圆，创建4个特征面作为拟合特征，然后对齐模型特征，再设置偏差值的范围，经计算，即可获取3D偏差色谱图。从3D图的颜色分布，可直观地获取变形位置、变化趋势及变形偏差值等信息。

5 封头的变形量

5.1 堆焊前的封头尺寸

将封头堆焊前的第一次扫描数据，导入Geomagic Control软件中，构建4个孔的表面和封头端面，并标注4个孔的空间角度尺寸。标注后的封头图形，如图6所示。

图6 第一次扫描后的三维模型

三维扫描解决了空间角度的测量问题，通过扫描测量的结果，可看出4个接管孔的空间角度符合图纸要求。实测的封头尺寸，如表1所示。

表1堆焊前封头的尺寸

尺寸代号名义尺寸实测值190°89.71°280°80.58°3105°105.05°485°84.66°645°45.87°745°45.47°848°47.32°950°50.04°

5.2 堆焊后封头的尺寸

将第二次扫描模型与第一次扫描模型进行拟合对比，生成的偏差色谱图，如图7所示。

图7 第二次扫描与第一次扫描模型对比图(浅色为外凸，深色为内凹)

从图7可知，内壁堆焊后，封头中心及端面、边缘的未堆焊区域，基本无变形。在4个开孔处的下部边缘，发生了变形，小孔口的平均变形量，约内凹2.6 mm，最大变形量为内凹3.12 mm。大孔口的平均变形量，约内凹2.2 mm，最大变形量为内凹2.36 mm。其它位置的变形量，小于2.0 mm。

5.3 再次堆焊后封头的尺寸

将第三次扫描模型与第一次扫描模型进行拟合对比，生成的偏差色谱图，如图8所示。

图8 第三次扫描与第一次扫描模型对比图

从图8可知，手工堆焊封头中心的内壁后，平均变形量约为外凸2 mm，最大变形量为外凸2.54 mm。4个开孔处的下部边缘发生了变形，在孔的上部略有变形，小孔口的平均变形量约为内凹4.8 mm，最大变形量为内凹5.33 mm。大孔口的平均变形量，约为内凹4.3mm，最大变形量为内凹4.53 mm。相比前一次堆焊后的封头尺寸，再次堆焊后，开孔处的变形量增加，变形量约为2～3 mm，其它位置的变形量基本不变。

5.4 热处理后的封头尺寸

将第四次扫描模型与第三次扫描模型进行拟合对比，生成的偏差色谱图，如图9所示。

从图9可知，封头经热处理后，各位置的变形量，小于0.5 mm，最大变形量为外凸0.47 mm，位于小孔及大孔的下部区域。由此可知，热处理对封头变形的影响不大。

图9 第四次扫描与第三次扫描模型对比图

将第四次扫描模型与第一次扫描模型进行拟合对比，生成的偏差色谱图，如图10所示。

图10 第四次扫描与第一次扫描模型对比图

从图10可知，经堆焊、热处理后封头最终的变形量。在封头中心区域的平均变形量，约为外凸1.5～2.3 mm，在中心变形区域的四周，变形量约为1 mm。在4个开孔处的下部边缘发生了变形，在孔的上部略有变形，小孔边缘处最大变形量，为内凹6.11 mm，平均变形量约为内凹4.9 mm。大孔边缘处最大变形量，为内凹5.43 mm，平均变形量约为内凹4.8 mm。在封头端面上部的未堆焊区域，变形量小于1 mm。