三维激光扫描技术在工业产品几何尺寸中的应用探讨（以栓孔检测为例）

论文总字数：17176字

目 录

1绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1三维激光的国内外研究现状 2

1.2.2工业测量的国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容和技术路线 3

1.3.1本文的研究内容 3

1.3.2本文的技术路线 3

2 三维激光扫描技术 4

2.1三维激光扫描技术的简介 4

2.1.1三维激光扫描仪的分类 5

2.1.2 三维激光扫描仪的特点 6

2.2三维激光扫描仪的应用 7

3螺栓三维模型的逆向建立 7

3.1 点云的获取 7

3.2 点云数据的处理 8

3.2.1 Geomagic Studio软件的简介 8

3.2.2螺栓点云的处理 8

3.3 螺栓孔径尺寸量取 12

3.3.1 Geomagic Control软件的简介 12

3.3.2数据的处理 13

3.3.3 边缘检测 14

4尺寸检测程序设计 14

4.1 程序实现原理 15

4.2 程序设计开发 16

4.2.1用户界面设计 17

4.2.2 代码的编写 17

5测量误差分析 19

5.1 其他方法量取螺栓孔径尺寸 19

5.2 误差分析 19

6 总结与展望 20

参考文献 21

致谢 23

附录 24

三维激光扫描技术在工业产品几何尺寸

中的应用探讨（以栓孔检测为例）

黄心茹

, China

Abstract: At present, the detection method of the bolt hole size is mainly two kinds of manual detection and mechanical detection, the former is inefficient, and the latter may have large errors. Due to the improvement of the accuracy of the three-dimensional laser scanner and the rapid update of data processing software, a new detection method can be provided for the detection of bolt hole sizes. This paper uses Geomagic software to establish the three-dimensional model of the bolt point cloud data obtained by the three-dimensional laser scanner and detect the size of the bolt hole. Then a simple bolt aperture length detection program was designed using C# language. After the error analysis, the conclusion that the three-dimensional laser scanning technology can be applied to the detection of geometric dimensions of industrial products.

Keywords: 3D laser scanning technology; Geomagic; software implementation; size detection; error analysis

1 绪论

1.1 引言

螺栓是在人们生产生活中都十分重要的机械零件。由于它在工业中的重要地位，也被称为工业之米。螺栓被广泛应用于很多行业之中，从电子产品到化学实验的各个行业都有螺栓的功用。总而言之，只要现代社会中存在工业，就一定需要螺栓。

就目前而言，在大多数的生产企业中，螺栓检测方法主要有人工检测和机器检测两种。其中人工检测是通过目视判别的方法对需要进行包装或者发货的产品进行检验，以排除带有牙伤、混料或者生锈的不合格产品。人工检测的方式是最原始也是当前工业中应用最多的一种检测方式。机器检测的方式则是以磁粉探伤为原理进行的全自动检测^[1]。

但是随着工业的迅速发展，工业测量成为一种全新的技术手段用来检测螺栓。传统的工业测量系统是指在计算机的控制下，配合传感器（一般使用全站仪、电子经纬仪、数字相机）进行构件和产品的非接触实时三维坐标测量，且在工作场地实时进行测量数据的管理、处理、分析的系统^[2]。但是因为螺栓作为一种结构复杂，表面粗糙，尺寸较小但是精度要求比较高的工业零件，应用传统的工业测量手段来对其进行尺寸检测，不仅工作强度大，效率低而且难以达到精度要求。所以三维激光扫描技术精度的不断提高为解决工业测量的问题带来了一种全新的方案。

被称为“实景复制技术”的三维激光扫描技术是诞生于20世纪90年代的一门测绘学科的新兴技术，它是在GPS以后测绘行业的又一次意义重大的技术革命。三维激光扫描技术的特点是效率高，精度高，即可以用较少的时间获取数据量较多的高精度点云数据，利用这些点云通过数据处理软件可构建出物体的数字模型。所以将三维激光扫描技术应用到螺栓孔径的检测中，螺栓的检测技术将得到全新的发展。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三维激光的国内外研究现状

到目前为止，以美国为主的众多发达国家的高新技术研究公司在三维激光扫描测量技术方面已经有了大量的研究。随着各类高精度的三维激光扫描仪和多种便捷快速的数据处理软件的出现使得研究人员对三维激光扫描技术应用于各个领域都有了深入的研究，形成了一些新兴产业，其产品在测绘作业的很多方面都达到了很高的水平，如适用性、速度、测量精度、易操作性等。例如美国的Trimble公司的GX、FX三维激光扫描仪结合其自主研发的Realworks软件，可以从空间成像传感器导入点云数据，并生成被测物的较为精确的数字模型。其中Realworks Survey软件能够对含有大量点数据的大型数据文件进行管理处理和分析，可以提交精度比较好的结果。所以逆向处理软件的不断发展更新，对于三维激光扫描技术的不断发展也有重要的意义。

尽管国内在三维激光扫描技术方面的深入研究稍晚于国外，但是发展迅速，在很多领域都取得了一定的成果。北京大学的三维视觉与机器人实验室利用高分辨率照相机，全方位摄像系统和三维激光扫描仪采集了建模对象的几何和纹理信息，在数据配准的基础上对三维物体模型进行了建立^[3]。长安大学将三维激光扫描仪应用于可视化模型重建和滑坡形变监测，意义十分重大^[4]。同济大学在考古发掘、树木模型应用于林业、隧道检测、隧道收敛等方面做了一定的研究。

1.2.2 工业测量的国内外研究现状

传统的工业测量系统是指在计算机的控制下，配合传感器（一般使用全站仪、电子经纬仪、数字相机）进行构件和产品的非接触实时三维坐标测量，且在工作场地实时进行测量数据的管理、处理、分析的系统^[2]。工业测量系统对工业测量具有十分深刻的影响，它主要是用来获取精密定位待测物的三维坐标。工业测量系统有很多的分类方法，但是依据其使用的测量仪器的不同，主要可以分为六大类。以全站仪为测量仪器的全站仪极坐标测量系统，以经纬仪为测量仪器的电子经纬仪工业测量系统，以摄影机为测量仪器的数字近景摄影测量系统和坐标测量机系统，以三维激光扫描仪为测量仪器的激光扫描测量系统和激光跟踪测量系统等^[5]。其中，激光扫描测量系统就是利用三维激光扫描技术获取被扫描物体的点云数据，从而获得各个点的坐标。这种方法可以直观形象且实时动态的反应待测物的变化特点，所以被广泛应用于三维数据技术领域中^[6]。近年，国内众多研究人员已经将三维激光扫描技术应用于工业测量领域，而且取得了不斐的成果。2005年，简正伟利用三维激光扫描仪扫描车身的覆盖件，然后将得到的点云数据在逆向处理软件Geomagic 中进行三维建模，将模型与设计模型进行曲面匹配和误差分析，最后得出误差检测报告，得到了逆向工程技术应用于车身覆盖件误差检测的可行性^[7] 。2008年，杜丽杰应用三维激光扫描仪和逆向工程处理软件Imageware和Geomagic检测了复杂构件是否能够满足设计精度^[8]。2009年，尤红丹等应用三维激光扫描技术对构件的磨损量进行了研究，并建立了磨损模型^[9]。2012年，赵显富基于三维激光扫技术所得的滚子的点云数据，结合计算机数据处理系统，模拟计算出了滚子关键部位的几何尺寸^[10]。2013年，宗敏基于三维激光扫描技术所得的复杂工业构件的点云模型，对轮廓合格的零件进行孔位误差的检测^[11]，使三维激光扫描技术应用于工业零件的检测有了进一步的发展。

1.3 本文研究内容和技术路线

1.3.1 本文的研究内容

本文的研究内容主要包括：

（1）了解三维激光扫描仪的工作原理，操作三维激光扫描仪；

（2）以螺栓为例，应用三维激光扫描仪获取零件点云数据，将点云数据应用Geomagic Studio软件进行预处理；

（3）基于螺栓的三维模型，使用Geomagic Control检测螺栓孔径；

（4）利用C#设计一个简单的检测程序，用于检测螺栓孔的直径。

1.3.2 本文的技术路线

本文的技术路线主要有两个方面，一个是利用逆向工程处理软件对螺栓的直径的检测，一个是设计一个简单的检测程序，对螺栓的直径进行检测。

对于第一方面，先利用三维激光扫描仪得到螺栓的点云数据，然后应用Geomagic Studio软件对点云数据进行预处理，生成螺栓的三维模型，再利用Geomagi Control软件进行螺栓孔尺寸的检测。

对于第二方面，选择面向对象且具有良好用户界面设计功能的C#作为编程语言。根据图像边缘检测处理的需求，选择Sobel算子和Roberts算子来检测出螺栓的边缘，然后选择其边缘上的三个不同的点，可以得到三个点的坐标，然后根据数学基本原理，应用三点的坐标计算出这三点所在圆的直径，从而达到检测的目的。

本文技术路线如图所示：

图1 技术路线图

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