论文总字数：20383字

目 录

1. 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4本文的研究内容与技术路线 3

1.4.1本文的研究内容 3

1.4.2本文的技术路线 3

1.4.3本文的研究目标 4

2. 三维激光扫描技术 5

2.1三维激光扫描技术的介绍 5

2.2三维激光扫描的原理 5

2.3三维激光扫描的应用领域 6

3. 工业原材料角钢几何参数检测 7

3.1数据获取 7

3.2 角钢几何参数量测软件选择 9

3.3点云数据处理阶段 10

3.3.1剪裁多余部分 10

3.3.2手动拼接和自动拼接 10

3.3.3平滑噪音和进行点云数据合并 13

3.4在Control软件中获取角钢4参数 13

4 角钢几何参数检测程序设计 15

4.1检测程序软件选择 15

4.2边缘检测算法 16

4.3软件开发与功能实现 16

4.3.1软件开发 16

4.3.2软件功能实现 17

4.4误差分析 18

5总结与展望 19

参考文献： 20

致 谢 21

附 录：角钢四参数检测程序设计源代码 22

三维激光扫描技术在工业原材料几何参数检测中的应用

李嘉琪

，China

Abstract：At present, there is no mature precision detection system for geometric parameters of angle steel raw materials at home and abroad. The current practice is that the geometric parameters of angular steel raw materials are not accurately detected, and only rough detection is performed according to the traditional method, and the three-dimensional laser scanning technology can quickly obtain the parts. The three-dimensional point cloud data can be processed to obtain a complete three-dimensional point cloud model using related data processing software or systems, and then the angle steel four parameters can be accurately measured in the software. This article uses a three-dimensional laser scanner to obtain point cloud data of angle members, and then use Geomagic series of software for data processing and geometric parameter detection, to provide a precise detection program for geometric parameters of angle steel raw materials. This method can obtain more accurate angle 4 parameters. And using C# language to design a simple angle 4 parameter detection program, analyzes and proves the feasibility of 3D laser scanning technology in the detection of angle steel geometric parameters, analyzes the errors in program measurement, and conducts research methods used in this paper. Summary and outlook.

Key words：Three dimensional laser scanning technology; Geomagic; geometric parameter detection; error analysis; software testing

1. 绪论

1.1 引言

三维激光扫描技术是一种可快速、大规模收集空间点信息并建立物理三维图像模型的技术，与传统的单点定位测量和点线测量技术不同。三维激光扫描技术是测绘领域的技术创新。目前，经纬仪在实际工作中使用相对较少，并逐渐被全站仪所取代。全站仪通过发射激光，在击中目标物体之后，通过反射信号计算相应的距离和角度值。全站仪一次只能测量某一点或某些点的信息，不能记录空间内的所有三维信息。

三维激光扫描采用连续发射激光以点云的形式记录空间信息，采集范围超过360°* 270°，扫描距离可达1m - 6000m。真正实现所见即所得的效果，物体的图像信息也可以通过三维激光扫描装置本身携带的图像设备获取。

通过采集点云图像数据，可以快速建立具有复杂和不规则场景的二维图形，三维可视化模型，并通过后处理技术生成正交图像。这种强大的三维建模和虚拟复制功能使得3D激光扫描成为研究的热门话题。目前，安装三维激光扫描设备的平台也开始采取多种形式，主要包括：定点激光扫描仪，车载激光扫描仪，机载激光扫描仪，船上激光扫描仪，手持激光扫描仪等。

目前三维激光扫描技术应用于工业测量中的工业原材料几何参数检测领域也越来越广泛，例如在架设电力铁塔时，角钢作为主要支撑构件必须具有极高的安全性，这就角钢原材料的几何参数精度要求非常高，公差检测需求非常高。

1.2 研究背景

在空间测量和分析中应用的测量方法或技术称为工业测量，它是为工业设备制造、产品质量检测、仿真建模以及模拟装配等进行数据获取和精密三维空间定位的测量工作。工业测量主要是以测量车间或室内的工业产品、模型或零部件的几何量为目的，采用多种测量方法、理论和设备，是作业距离较短、集合点位精度高、测量频率较高的测量分支学科。

工业测量在工业构件几何精度检测方面近些年的发展潜力巨大，因为工件精度的保证对于机加工领域来说是质量保证的灵魂，除了机床和其他设备要求保证的准确性是非常高的，也离不开测量技术的支持。三维激光扫描技术采用非接触式测量方法获取被采样物体表面的点云数据，并通过相应的软件建立被采样物体的三维模型。可以测量复杂表面条件下的各种物体，利用三维激光扫描仪结合软件对工业构件几何参数进行检测，可以直接得到工业构件的三维模型和偏差数值，避免了传统的检具和三坐标测量机只能对数量有限的断面进行检测的弊端。

1.3 国内外研究现状

目前三维激光扫描技术受到科研人员越来越多的喜爱，作为新型的测量技术，三维激光扫描仪的发展页实现了巨大的飞跃，三维激光扫描仪的发展现状如下：

第一代的特点是逐点扫描，速度很慢。如三坐标测量机CMM。

第二代的特点是逐行扫描，这仍然是缓慢的，如激光扫描仪。

第三代的特点是面扫描，速度非常快。一次测量一个表面，扫描速度非常快，几秒钟内即可获得超过100万个点。优点有便携，可搬到现场进行测量；工件或测量头可以自由调整，便于测量；大景深（可达300~500mm)；测量范围大；精度高:0.1mm；测量点分布非常规则；大型物体分块测量、自动拼合等。

三维激光扫描技术在零件测试领域的应用也取得了一定的进展。2005年，郑政伟提出了基于逆向工程技术的汽车车身覆盖件数字化检测。其次，在检测软件中进行了误差比较，并获得了良好的结果。^[8]2008年，杜丽杰在逆向工程基础上进行了复杂铸件的质量检测，充分分析了该方法的可行性，提出了质量检验方法，实现产品检验的数字化，自动化和可视化。^[9]2013年，宗敏在基于三维激光扫描技术的复杂构建检测研究中，对轮廓检测合格的零件进行进一步检测其孔位误差，三维激光扫描技术在部件检测领域的研究进一步完善。^[10]

角钢原材料通常用于各种建筑结构和工程结构，如输电塔，起重和运输机械，桥梁，船舶和反应塔。角钢原材料的几何参数是判别角钢原材料能否合格的主要参数，在一些建筑结构和工程结构（如各种电压等级角钢结构，输电线路塔，广播电视塔，微波通信塔和变电站）中，该参数对相干结构的现场顺利拼接及功能都有较大的影响。因而，须要对角钢原材料的几何参数进行精细检测与严格管制。角钢原材料的几何参数包含2个宽度和2个厚度共4个值/断面（2个宽度分别为 d1、 d2，2个厚度分别为 d3、 d4，如图1），该检测的精度要求较高，参数值与设计值之间的误差应在0.4毫米以内（即允许的误差范围为±0.4毫米）。不然角钢原材料视为不合格。

图1 角钢4参数图示

目前，国内外还没有较为成熟的角钢原材料几何参数精密自动检测系统。国内目前的做法是角钢原材料的几何参数不进行精细检测，只按传统办法进行粗略检测，即直接在角钢原材料生产地按相干结构设计要求进行现场逐一拼接，某些不满足拼接要求的角钢原材料立刻进行现场改换，结构拼接无误后再将角钢材料逐个装配，而后运往需要地进行拼接。该传统做法尽管能在一定程度上满足相干构造的拼接功用，但拼接后的结构性能能否达到设计的功能要求仍无科学的保障，即角钢原材料几何参数的误差没有得到科学的检测与管制；并且该传统做法技术落后，效率低下，存在人力、物力的重大浪费。

1.4本文的研究内容与技术路线

1.4.1本文的研究内容

（1）介绍三维激光扫描测量原理、方法和本文使用的三维激光扫描设备;

（2）以角钢构件为例，利用Geomagic软件进行点云数据的处理，在软件中量取角钢的4参数。

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