论文总字数：21257字

目 录

1 绪论 6

1.1 引言 6

1.2 研究背景 6

1.3 国内外研究现状 7

1.4 技术路线和研究对象 8

2 三维激光扫描技术 9

2.1 三维激光扫描技术的简介 9

2.2 三维激光扫描技术的原理 9

2.3 三维激光扫描技术的优势 10

2.4 三维激光扫描仪的分类 10

2.4.1 按测量距离分类 10

2.4.2 按测量原理分类 10

2.5 三维激光扫描技术的应用 11

3 基于点云数据的工业元件检测 12

3.1 测量设备选取 12

3.1.1 FARO Design ScanArm 12

3.1.2 Geomagic studio 13

3.2 滚子点云数据处理及三维建模过程 14

3.2.1 数据扫描 14

3.2.2 点云去躁 14

3.2.3 坐标转换 15

3.2.4 网格处理 16

3.3 滚子几何参数量取 16

3.4 误差来源分析 18

4 尺寸自动检测程序设计 19

4.1 设计需求 19

4.2 数据格式 19

4.3 数据提取 20

4.3.1 基于Excel的数据提取 20

4.3.2 基于程序的数据提取 21

4.3 功能实现 22

5 总结 23

参考文献 23

致谢 25

附录 基于MATLAB的滚子几何参数检测程序设计源代码 26

三维激光扫描技术在滚子几何参数检测中的应用

王璐琦

，China

Abstract: As an indispensable mechanical element , roller plays an important role in the industrial field , which limits the accuracy for roller production. Therefore, the detection of roller geometry parameters is particularly critical. In the detection of industrial components, sampling using traditional measurement methods is not only inefficient, but also has a large random error and is prone to gross errors . This paper studies the application of three-dimensional laser scanning technology in industrial measurement. Taking the roller with a regular shape as an example, it analyzes the point cloud data obtained from high-speed on-line inspection to perform three-dimensional roller modeling, reverse processing, and testing its feature size. Methods and processes.Finally, a simple program for automatically measuring geometric parameters was designed in language to verify the feasibility of the method.

Key words：3D Laser Scanning; Geomagic ;MATLAB

1 绪论

1.1 引言

工业是一个国家经济产业结构中的主导产业。在现代化进程不断推进的社会背景下，我们已经不满足于现有的工业生产模式，更庞大的产量需求和更复杂的结构设计，让我们必须重视工业构件的几何质量和生产速度。在工业生产的流水线上，每一个零件都要符合设计要求，只有将误差控制在合理范围内，才能够保证成品的美观和安全。

工业测量就是为工业设备制造、产品质量检测、仿真模型建立以及模拟装配等工序进行的数据获取和精密三维空间定位的测量工作。滚子是生产中常见的基础工业构件，也是构成轴承的重要零件。滚子的生产必须保证在合格范围内，才能承担轴承运转的负荷、控制振动幅度、确保轴承旋转的灵活性，使工业产品正常运作。因此，滚子几何参数测量的准确与否，会影响到整个轴承，乃至工业成品的质量安全，专家和学者都致力于寻求用更加便捷的方式完成滚子几何参数的检测。

三维激光扫描技术自产生以来发展迅速、广泛应用，这项新型技术有传统测量手段无与伦比的优势。此项技术在国内的广泛应用推动了工业、交通运输、测绘勘探的发展和进步，于此同时也为安全评估、文物保护、逆向建模等提供了更精准的数据服务。三维激光测量设备是利用激光雷达的发射来工作的，高速扫描目标物体，获取点云数据，后期处理精确又简易，这就大大提高了信息分析、提取和处理的速度，这是实现新型精密工业测量行之有效的技术方案。其非接触、高速度、高精度、即时成像等特点在节约时间的同时，改进了工作方式，提高了生产制造的工艺水平。

1.2 研究背景

逆向设计方法在工业产品设计中已被广泛应用，这是相对于正向设计提出的生产新思路，即在缺少设计图纸以及原始参数的条件下，参照采集对象的数据，进行曲面重构，修改有误差的参数和几何量，得到全新的数字化模型^[1]。在软件中模拟，先修改后生产，控制精度，优化设计，复制该产品。结合工业元件本身特征参数，利用三维激光扫描系统获取对象的点云数据，在建模软件数据处理分析功能的支撑下，完成元件的模型重建以及曲面最佳拟合造型，从而得以将逆向工程前期得到的三维模型与产品原始三维模型进行匹配检测，实现产品的三维分析。

三维激光扫描技术是高速高效采集目标对象三维空间信息的新兴技术手段，建立立体模型就是此项技术最突出的优势，因此三维激光扫描技术是一种“实景复制技术”^[2]。同时，在三维激光扫描仪器在对目标实物表面进行扫描的整个过程中，不需要与被测物体接触，这种非接触式、全方位的测量方法使得其应用条件大大放宽，将三维激光扫描技术与精密工业测量的零件检测结合起来，将获得更加理想的测量精度与速度。

1.3 国内外研究现状

滚子是轴承中最基础的构成零件，它的尺寸质量检测至关重要，国内在相关方面的检测的研究还不够全面，从滚子直径等几何参数检测到滚子缺陷检测技术，较于国外差距明显，基本要依靠抽样手工质检来保证滚子质量要求。国内很多专家一直在研究滚子几何参数的计算分析、讨论滚子基面直径与直径测量的关系、滚子表面缺陷的测量等。王育才、夏新涛和王中宇综合考虑了传统测量过程存在的误差，分析了精密滚子检测的影响因子，提出了一种基于模糊数学的最佳测量方案^[3]；刘杰在立式测量仪的基础上，改进测量方法，给正弦尺下垫量块，提高圆锥滚子的测量精度^[4]；殷滨杰和马毅也十分重视滚子的几何精度，通过探讨滚子基面球面半径参数和该滚子滚动表面直径尺寸的关系，强调了滚子基面球面半径在加工时对其滚动表面相关参数获取的影响程度^[5]。

国外在滚子模型生产工艺和尺寸参数检测手段上都与国内生产测量方式有所不同，国外生产滚子所用机械设施的加工精度都普遍优于我国，高精度的设备生产的滚子能具有更好的合格率和相同性，因此设备价格比较昂贵，较高的生产成本制约了工艺的普及，造成高标准的生产要求只能在少部分企业实现。传统工业测量方法可以完成滚子精度的定期监测，抽样检验的方式一定程度上可以促进提高生产的质量，但抽检过程中涉及到的设备也都是采用接触式仪器完成人工数据观测，且随机性强，无法完成在工厂流水线上的实时在线检测，也无法从源头提升技术相对落后的现状。

目前三维激光技术在理论、设备和应用等方面已经十分成熟，它克服了传统测量技术在操作方式、适用环境、工作效率、测量精度等方面的局限性，能对任意对象进行零接触扫描，采集高精度三维数据，高速高精、实时主动地完成测量任务。同时，三维激光扫描技术以其可视化、全数字特征，还原实体模型，数据可以与AutoCAD、CATIA、SolidWorks、三维动画等工具软件接口，所以广泛应用于城市三维模型建立、实景重现、绘制大比例尺地图、文物保护与恢复、机械制造逆向设计、船舶飞机安全检测以及影视特效等领域。

加拿大国家研究协会率先将三维激光扫描仪和摄像机组合安装在汽车上，形成了最早的数据采集系统^[6]；之后NASA在此基础上进行研究完善并将此项技术应用到工业制造行业；Y.Yu等人和 I.Stamos和P.K.Allen 等人分别对三维激光扫描技术的数字模型移动编辑能力和空间数据的信息化功能进行了完善^[7]，这些不断进行的技术研发构成了现有的三维激光扫描技术的模型。在德国，三维激光扫描技术甚至已经在生物科技领域大放异彩，专家采集植物结构数据分析其细胞生长状况^[8]；中铁第一勘察设计院的朱郭勤运用了车载三维激光扫描技术，完成了铁路运营维护及变形监测，使复测工作中获取信息不全面、作业效率低、成果精度差，以及存在安全隐患等问题都得到有效解决^[9]；惠理军和孔立等人将古代建筑金龙塔作为研究对象，描述了古建遗址数字化保护在三维模型恢复方面的新思路^[10]；陈贤雷、郝华东和李红军等通过对一个6000 m³的大型容器进行内测试验，验证了三维激光扫描方法良好的可视化和重现性^[11]；我国卢强、侯弘毅等人尝试将此项技术应用到包装结构设计中，提取产品表面特征，实现对产品的逆向建模^[12]；

国内外，几乎没有专家学者把三维激光技术与精密工业元件测量结合起来，逆向建模，建立高效的检测生产线，而这个领域的缺憾会大大制约我国工业生产的工艺和质量。

在我国，对流水线生产出的滚子在进行尺寸参数质量检测时，大部分厂家都依靠传统的测量技术进行，技术手段落后，精度很难得到保证，所以这些机械式的仪器是不利于精密工业检测的。我国工业流水线生产的各种零件大多是依靠人力来随机抽样检测，采用这种方法检测不够全面，样本选取容易引起人为误差，极低的工作效率降低了产品安全性保障。

三维激光扫描技术已涉足各行业技术领域，相较于与传统的测量处理手段，采用零接触的技术手段对待测对象采集数据，在提高测量精度的同时，简化了操作流程，更得益于其灵活性工艺生产技术水准提高，优势突出。将滚子几何参数检测与三维激光扫描技术结合起来，通过点云数据和图像采集，点云合并，曲面拟合等数据分析，提取滚子尺寸的几何参数，算法拟合得出实际元件与理论数据的对比，判断滚子尺寸是否合格。将测绘科学技术应用到精密工业检测中，利用三维激光扫描仪快速完成全局扫描的技术优势，使滚子的在线检测成为可能，快速过检、自动化流水作业，解决了当前生产条件下滚子直径参数检测工作效率低、测量精度低的问题。三维激光扫描对滚子元件进行3D建档，点云数据全面而准确的记录了滚子的重要几何参数，比之传统抽样提取关键数据的测量方法而言，此项技术的应用不但能更加精确的获取数据，还可以完成滚子的可视化，同时可以适应机械制造业高产量、高质量、高效率的要求，降低了繁重的工作任务，追求产品出厂“零废品率”目标。赵显富教授研究了滚子、角钢等工业元件非接触高精度高速度检测方法，就其在实现工业高速检测生产流水线的应用申请了专利，提出了安装2台相对放置的三维激光扫描仪对滚子进行线上扫描的构想，高速采集数据，高精度处理数据。除此之外，我国对于各类滚子的几何参数特征在非接触三维激光检测领域的研究还比较欠缺。

1.4 技术路线和研究对象

本文将工业元件滚子作为案例的研究对象，寻找滚子几何尺寸测量新方法，进行如下研究：

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