三維掃描技術在預制構件質量檢查中的應用

單意志 余世安 楊喜云

(中國核工業華興建設有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

大型空間鋼結構承載力強,外形美觀,通用性強[1],但其結構復雜,施工難度大,多用于大型體育場、會展中心、車站、機場等公共設施[2]。鋼結構施工構件多,規格型號多樣[3],對預制構件質量檢查是保證工程實體精準快速完成的關鍵,在交付安裝前的預制構件檢測是鋼結構加工車間面臨的一個突出問題;檢查方法一是采用人工預拼接來完成檢測,但自動化程度較低,人工預拼接周期長,成本高[4],安全風險較高;二是依靠傳統鋼卷尺、全站儀數據檢測,同樣存在周期長[5]、成本高的問題。為解決這一技術難題,采用三維掃描技術,其克服了傳統測量的局限性[6],直接在車間地面上任意位置擺放鋼柱和鋼梁牛腿,在相關位置放置標靶,使用三維掃描儀對鋼柱和鋼梁牛腿進行全方位掃描,掃描數據基于標靶拼接,然后根據既定坐標進行鋼柱和鋼梁牛腿空間拼接。

1 基本原理

三維激光掃描測量系統主要由三維激光掃描儀模塊、控制器模塊、計算機模塊、電源供電系統以及系統配套軟件等構成[7];三維激光掃描技術的基礎是三維激光測距技術[8];在車間地面上擺放鋼柱和鋼梁牛腿,在相關位置放置標靶,使用三維掃描儀對鋼柱和鋼梁牛腿進行全方位掃描,得到構件的立體位置,提取每一鋼柱、鋼梁的構件,通過構件特征點及特征點在空間位置的理論坐標,采用計算機輔助設計(computer aided design,CAD)匹配拼裝,復原構件的空間拼裝位置,拼接后接頭部位誤差可通過CAD圖量測得到偏差值,從而達到構件檢查的結果。

點云配準的本質是將不同測站掃描得到的點云通過剛性變換轉化到同一參考坐標系下形成一個整體。假設兩測站點云分別以P和Q表示,點云配準就是尋找兩待配準點云之間的剛性變換,即源點云M變換到目標點云Q,這個過程可以用Q=R×P+T來表示,R代表旋轉矩陣,T代表平移向量。點云配準主要可以分為兩大步驟:點云間對應點匹配和剛性變換數學模型的解算,工程應用中通常采用標靶作為兩測站點云間的對應點將其帶入剛性變換數學模型就可以完成點云配準工作。

確定了待配準點云間對應點關系之后,需要建立數學模型解算剛性變換對應的旋轉矩陣與平移矩陣。建立數學模型的方法有很多,常用的剛性變換數學解算模型(附有限制條件間接平差解算模型)。

一般來說兩測站點云間沒有坐標系尺度差,不需要考慮尺度因子的問題,兩點云之間只存在旋轉、平移變換,此時轉換模型為

(1)

該轉換模型包含3個平移參數X0、Y0、Z0和3個角度參數A、B、C。x、y、z為源點云坐標系下坐標,若按照z軸、y軸、x軸依次旋轉對應的三維旋轉矩陣可以表示為

R(A,B,C)可用方向余弦表示為

(2)

旋轉變換屬于初等正交變換,因此R(A,B,C)為正交矩陣,矩陣中的9個元素之間滿足下面6個等式

(3)

附有限制條件間接平差解算模型關鍵在于精確解算出6個參數(X0,Y0,Z0,A,B,C)。其中3個角度參數由于是非線性三角函數關系,所以轉化成9個方向余弦表示,可以得到線性轉換模型,其誤差方程為

(4)

式中,

(5)

(6)

(7)

(8)

由旋轉矩陣的9個方向余弦之間存在非線性關系,可得6個限制條件。

(9)

式中,

(10)

(11)

(12)

根據附有限制條件的間接平差得

(13)

其中,

(14)

式中,Nbb為滿秩系數陣;P為權陣;B為列滿秩陣;C為行滿秩陣。

2 技術路線方案與精度分析

2.1 技術路線方案

掃描前進行技術路線方案規劃,根據掃描物項的多少及堆放位置,儀器的掃描距離、掃描觀測的通視條件進行測站設計、分辨率選擇、標靶布置,具體技術路線方案如下:

掃描策劃—現場勘察—測站規劃—標靶設置—外業掃描—數據導出—數據拼接—去噪處理—單元數據提取—特征點擬合—特征點理論數據計算—匹配處理—各單元導入CAD整體拼接—誤差測量。

2.2 精度分析

三維激光掃描坐標系統,如圖1所示。O、X、Y、Z構成一個空間直角坐標系,θ是掃描儀對實體M點測量的天頂距,α是掃描儀對實體P點投影與X軸的水平夾角,S為O點到M點的斜距,由S、θ、α可以用式(15)得到M點的三維坐標值[9]。

(15)

圖1 三維激光掃描坐標系統

本身的系統誤差和測角誤差有關,還與待測物體表面材質等特性有關[10-11],主要是測距和測度誤差引起[12-14],即

(16)

(17)

(18)

取S=50 m,sinθcosα最大值為1,sinθ最大值為1,P40掃描儀距離精度1.2+10 ppm,角度精度為8″,則ms=1.2+50 000×10-6=1.25 mm

滿足檢測精度3 mm要求。

3 工程案例

浙江佛學院二期彌勒圣壇(圖2)中心部位須彌山倒錐柱天宮工程,由8根立柱組成,立柱預制加工分四段,每段通過兩個平臺的環向和縱橫鋼梁拼接成整體,平臺垂直距離為6 000 mm;第一段長度10 306 mm,底標高2.850 m,內側直徑為852 mm;第二段長度12 000 mm,第三段長度12 000 mm、第四段長度12 000 mm,預制構件為斜柱,通過圓心立面向外傾斜6.4°,見圖3、圖4。

圖2 彌勒圣壇鋼結構示意圖

圖3 須彌山倒錐柱天宮工程三維示意圖和立柱鋼梁牛腿加工圖

圖4 須彌山倒錐柱天宮工程結構平面示意圖

由于每條支腿是一個斜面,平臺是平面結構,對于鋼梁牛腿連接結構與支腿是非正交結構,如何保證整個拼裝的質量是一個問題,測量檢查有以下難點。

1)拼裝后平臺是一個平面,車間預制加工時,構件各連接鋼梁與立柱之間不成正交,預制構件位置檢查是一個難點,不能直觀檢查對接位置的質量情況,需要通過特殊檢查手段驗證預制構件位置準確后,才能出廠交付安裝。

2)通常檢查手段是采用全站儀配合棱鏡檢查,測出預制構件各連接點坐標[15-16],根據理論值事先計算理論坐標,與實測坐標比較進行偏差計算[17],計算工作量大,而且費工費時,假定值與現場實際情況有偏差,使檢查精度和進度均受到影響[18]。

3.1 項目實施方案策劃

構件每一預制批次,即每一分段8根柱子分為一批,預制加工焊接后平放于車間地面,在三點間距約15 m成平面的固定位置布設黑白標靶,在預制構件中間部位架設掃描儀,構件間隔一個柱子(梁)架設一次儀器,4站即可掃描完成,掃描完成后數據導出,首先通過黑白標靶拼成一個整體數據,然后按柱子單元提取點云信息,按每一柱子特征坐標匹配統一坐標下立體位置,在CAD中組合成整體,比較接頭部位偏差數值。

3.2 外業掃描

鋼柱加工完成任務后,在車間地面上處于平放位置,見圖5。

圖5 三維掃描現場工作圖

具體操作步驟為在靠近掃描鋼柱中間部位附近,便于通視鋼柱位置架設掃描儀,進行全方位掃描,掃描時調整分辨率和質量等級。按照現場擺放的順序進行現場掃描,記錄編號,現場以A～H順序,便于后期數據處理基于標靶和坐標進行拼接區分。掃描分為兩步,第一步為粗掃描,即為范圍內全掃描,有個初步輪廓;第二步為精掃描,對特殊位置、標靶框選加質量掃描。

為了保證掃描質量,掃描時需注意以下事項:

1)架站位置應位于較全面通視構件全景位置,特別是正面全貌位置、支腿位置等關鍵部位。

2)儀器架設應位于中間部位,以保證點云密度的均勻性,距離一般不超出50 m。

3)為避免掃描數據點云過大,首先可以采用低等級點云密度掃描,對關鍵部位采用窗選進行加密掃描,即保證精度又能加快進度,同時減少數據處理量。

4)下一站應注意對上一站掃描數據的補充,避免數據缺漏。

5)做好標靶、測站、柱子(梁)掃描信息記錄,以便于內業數據處理。

3.3 點云數據拼接處理

外業全部掃描結束后,將掃描數據導入Cyclone軟件進行數據處理,在Cyclone軟件中首先通過標靶,將數據拼成整體;去除不需要點云。

擬合各鋼柱特征點,因特征點上無法全部使用標靶,只有部分使用標靶,在沒有標靶位置可以在三維點云圖形上增加頂點的方法進行擬合特征點,擬合點位作為后面拼接的基準,同時也需要在眾多點云上選擇準確、恰當的特征點。圖6所示。

圖6 擬合標靶點及頂點

3.4 理論數據計算

根據設計圖紙及掃描擬合點位,假定圓心坐標為(0,0),以半徑及尺寸計算鋼柱4個特征點坐標。每根鋼柱之間為45°均勻分布,與正交軸線角度為22.5°;以方位22.5°角第一段鋼柱G序號為例計算特征點坐標(鋼柱角點,鋼柱寬300 mm),鋼柱下口內側直徑為0.852 m,G鋼柱下口點坐標為:

計算各特征點的理論坐標;以方位22.5°柱子為例,底口半徑為852/2=426,則柱側面中心坐標:

X下=0.426×cos22.5°=0.394 m;

Y下=0.426×sin22.5°=0.163 m;

柱寬300 mm,擬合特征點位于邊緣4 mm,則:

X22.5-1=0.394+(0.3/2-0.004)×cos(22.5+90)°=0.338 m

Y22.5-1=0.163+(0.3/2-0.004)×sin(22.5+90)°=0.298 m

同理計算出上口、下口4個特征點位坐標為:

22.5-1(X0.338,Y0.298,H2.850),22.5-2(X0.450,Y0.028,H2.850)

22.5-3(X1.395,Y0.736,H13.058),22.5-4(X1.507,Y0.466,H13.058)8個柱子特征點的坐標見表1。

表1 第一段鋼柱特征點坐標

3.5 匹配處理

待特征點擬合好后就可以基于特征點坐標進行每根鋼柱配準,這個過程分步進行,因為掃描時是全部放置在地面上,而拼接是空間信息,拼接后成圓錐形的,提取每根柱子點云按照每根鋼柱特征點進行配準;柱拼接三維誤差為3 mm,精度完全符合檢測要求。

3.6 各單元導入CAD整體拼接及誤差測量

單根鋼柱按照統一坐標系進行分步拼接后,將每根鋼柱的點云數據導入CAD中,形成整體三維立體圖形(以第一段8根鋼柱為例),見圖7、圖8(部分點云隱藏,僅顯示鋼梁牛腿位置點云),圖中點云與理論設計模型比對,誤差詳見表2,鋼柱鋼梁牛腿位置偏差為G鋼柱上部的20 mm、D鋼柱下部18 mm,需要矯正,其他誤差在10 mm左右,也需要稍微調整下,說明鋼構件加工有誤差存在,大部分滿足施工要求。

表2 支腿鋼梁牛腿誤差(與理論值比較) 單位:mm

圖7 拼接后立體圖形

圖8 拼接后平面圖形

表2和表3為第一段8根鋼柱鋼梁牛腿誤差情況表。從表3中看出,D和G鋼柱對接相對誤差為27 mm,變形方向相異,需要進行矯正。經過矯正后鋼柱就可出廠交付安裝,在施工現場進行實際拼裝誤差在8 mm內,做到一次拼裝合格。

表3 支腿鋼梁牛腿誤差(對應連接構件拼接誤差) 單位:mm

4 結論

三維掃描技術在鋼結構構件中拼接檢測充分發揮其不接觸、全方位掃描功能,并能夠減少相關工作量,是具有較強可操作性的空間檢測方法。拼接的精度與掃描的質量分辨率有關,質量和分辨率越高,掃描的點云越多,圖像越接近真實實體,結果越準確;但同時也加大軟件運行處理工作量。在滿足一定的精度要求下可減少質量與分辨率的等級,提升軟件運行速度。三維掃描技術構件預拼裝具有以下特點:

1)掃描坐標系可以針對每一個構件建立,檢查時可以分不同車間,不同時間段進行,適應性大大提高。

2)同全站儀檢查方法相比,構件檢查全面,內業數據更加豐富;數據精度高,計算結果可靠有效,有助于現場施工的質量控制。

3)針對構件模塊、鋼梁等,特別是位于高空的物項檢查,無須登高,安全性大大提高。

4)操作方便快捷、無須外部起重設備配合,無接觸,對構件不造成傷害;檢測靈活,減少測量外業時間,有效縮短工期,勞動效率提高60%以上。