三维激光扫描技术在立体织物检测中的应用

杨春玉，娄红莉

（南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 210012）

0 前言

立体织物作为复合材料的增强体，具有质量轻、强度高、耐烧蚀等特点，广泛应用于航空、航天领域，近年来随着其技术的迅猛发展，对复合材料也提出了更高的要求，作为增强体的立体织物也向大尺寸、复杂形面一体化成型发展，且要求近净尺寸仿形成型。本文将三维激光扫描技术应用于立体织物厚度、形面的检测，通过对在同一坐标系下立体织物实物、三维图、模具进行扫描，实现了任意位置任意点的数据采集，并进行多方式的云图匹配拟合数据分析，获得所需检测结果。

三维激光扫描技术是近几年来发展起来的一种新的激光测量技术，它是一种先进的全自动、非接触式、高精度的立体式扫描技术，也称作实景复制技术。是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型，主要是获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据［1］。目前主要应用于工程领域的复杂工业设备测量、地质应用、变形监测；文物保护领域；空间信息技术领域及制造领域等［2，3］。

1 三维激光扫描原理及设备

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术的原理是通过激光测量距离，利用高速激光扫描的检测方法，快速、高效的采集空间点位数据信息，高分辨率获取被测对象的三维坐标［4，5］。

1.2 设备介绍

本论文采用的设备为 NDI 三维激光扫描设备。设备包含硬件和软件，其中硬件设备有光学跟踪器、标定杆、多向探针、ScanTRAK 激光扫描器等；软件选用的是 Geomagic 数据处理软件，用于分析扫描数据结果。

2 立体织物检测应用

采用 NDI 三维激光扫描设备，检测复杂形面立体织物的形面及锥形织物的尺寸，通过 Geomagic Control X 软件分析检测数据，准确反映立体织物外形面及厚度偏差。

2.1 立体织物尺寸检测

用于锥形织物尺寸的检测，包括其长、宽、厚等尺寸，由于此锥形织物厚度尺寸为不等厚，也是此织物的关键参数，所以对此织物厚度进行检测试验。

2.1.1 扫描厚度检测法

应用三维激光扫描检测法对不等厚锥形立体织物的厚度进行检测。由于锥形立体织物的结构特征，三维激光扫描器接收信号受限，织物内壁无法采集到坐标数据，所以采用间接扫描方式进行数据采集，即先后采集织物编织模具与织物外形面数据，再进行数据拟合分析。

2.1.2 拟合数据分析

将模具与织物扫描采集的数据进行对齐、拟合处理，进行3D比较。构造基准平面，截取要求测量点高度，在与平面相交形成的圆周上均匀分布厚度测量点位置，提取厚度测量数据，厚度检测图如图1所示。

图1 厚度检测图

在对应的检测位置，采用传统测量法得出的厚度值与扫描检测得的厚度值进行对比，如表1所示。

表1 厚度检测数据对比表

依据表1可知，由于传统带压力接触式测量，压力不能稳定控制，导致了同一位置的测量数据稳定性差，而激光扫描数据不存在变动；从自身测量精度来看，传统检测精度低于扫描检测精度。由此可见，在厚度检测中三维激光扫描检测优于传统检测。

2.2 立体织物形面检测

2.2.1 复杂形面扫描

扫描对象是具有复杂形面特征的立体织物，仿形范围要求±0.5 mm。由于形面复杂，传统方法已不可检。

首先标定设备及验证扫描精度，保证检测数据的可信度。用手持激光扫描器完成织物整体形面的扫描，形成三维点云数据。所谓点云数据是指通过三维数字化扫描仪或其他测量系统对实体表面进行三维扫描测量，得到三维数据，并将这些离散数据称为“点云”［6-10］。将三维点云数据合并处理成面片数据，如图2所示。

图2 织物面片数据图

2.2.2 数据分析

导入立体织物的理论数模，将面片数据与理论数模进行对齐、初始拟合、最佳拟合等数据处理。通过3D比较分析，形成与织物理论数模对比色块云图。

在色块云图中，右侧的颜色差表示立体织物检测面片数据与理论数模的偏差范围，不同的颜色区域，代表不同程度的尺寸偏差，如图3所示。

图3 3D比较色块云图

从云图颜色可识别此被测织物整体存在倾斜，织物一侧形面翘曲，另一侧形面塌陷，整体形面符合率为45%，未能达到形面设计要求。具体仿形程度从提取不符合处的偏差值获得。

按织物形面检测要求，提取不同区域位置测试点的偏差值进行分析，测试点的偏差值是指被测织物形面与理论数模的形面距离差。如表2所示。

表2 不同位置测试点偏差值（偏差范围±0.5mm）

表2中曲面点2、4是对应织物塌陷区域的偏差值，对比形面设计范围平均超差-0.46 mm；曲面点5、6是对应织物翘曲区域偏差值，对比形面设计范围平均超差0.92 mm；曲面点1、3是符合形面要求的偏差值，平均偏差0.13 mm。由偏差值分析，可反馈被测织物形面仿形程度具体数值，为工艺改进提供精确的参照数据。

通过检测结果验证，三维激光扫描检测法可适用于复杂形面立体织物仿形程度的检测。

3 结论

（1）三维激光扫描技术无接触检测解决了复杂形面类立体织物在带压力传统检测方式下无法完成的高精度仿形程度的测量。

（2）三维激光扫描技术无接触检测适用于立体织物厚度的测量，且对比传统检测法具有较高的检测精度。

（3）通过数据分析得出的色块云图可准确、清晰、直观地表征立体织物与理论数模形面仿形程度比例。

（4）通过色块云图获取偏差数值，可具体说明立体织物与理论数模形面局部区域仿形程度的偏差值。

（5）检测结果可反馈指导工艺的改进与提升，对立体织物的检测具有重大意义。