袁栖茜 莫龙 薛小强 孙晖

摘  要：本文采用的Iris是一种非接触式三维激光扫描投影系统。该系统利用光学技术扫描获取实物表面的三维数據，利用三维点云数据可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，并将模型及安装要素精准地投影在船舶舱室的实物安装位置。经实船安装应用，Iris能很好地满足生产过程中实物的安装要求，不仅扫描范围大、速度快、精准度高、操作简单，而且可大大降低劳动强度，节约劳动成本，为精度造船、绿色造船提供借鉴和参考。

关键词：三维激光扫描投影系统;三维可视化模型;安装要素

中图分类号：TN249                    文献标识码：A

Abstract： The Iris system in this paper is a non-contact 3D laser scanning and projection system. It uses optical technology to scan and obtain 3D data on the physical surface， which can quickly establish 3D virtual model based on 3D points cloud data in the complex and irregular scenes， and accurately project the model and installation elements on the physical given position of the ship cabin. Based on the installation and application experience in real ship， the Iris system projection can well meet the requirements of the installation of the physical objects in the process of actual production. It has the advantages of large scanning range， high speed， high precision and simple operation， reduces the labor intensity and saves the labor cost， provides reference for precision and green shipbuilding.

Key words： 3D laser scanning projection system; 3D virtual model; Installation elements

1 前言

随着三维模拟、实物重构、虚拟现实等概念相继涌出，人们对事物的认识已从二维平面空间模式逐渐转向三维立体空间模式，三维激光扫描仪应运而生。三维激光扫描技术又称实景复制技术，它是把传统的单点式采集数据转变为自动连续获取数据，由逐点式、逐线式、立体线式扫描逐步发展为三维激光扫描，以其非接触式、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、全自动化、复杂环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取被测实物高精度三维数据并转换为三维可视化模型的重要手段。它极大地降低了测量成本，节约了时间，使用方便，而且应用范围广，在工业制造、工程测量、变形监测等领域都有很宽广的发展空间。

目前，国内船舶制造业正在淘汰一批陈旧落后的工艺工装方法，逐步被新的设备及其先进的方法、措施所代替。本文介绍一种非接触式的三维激光扫描投影系统（Iris），利用光学技术来扫描获取实物表面的三维数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，并将安装要素精准地投影在船舶舱室的实物安装位置，既省时又省力。

三维激光扫描投影技术是基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，确保了测量的高精度。船舶设备基座安装采用多点三维激光扫描，获取相对于整个船体基准和当前舱室基准，得到多个定位点进行均方差后确定出一个正确基准，将基座影像投影到该基座实际安装位置基准上进行装配。比如：机柜的安装，通过应用激光三维成像原理，将机柜实体特别是安装孔等特殊点，成像轮廓或关键点3D投影于基座上，施工人员直接根据投影点进行定位打样，完成后再吊装机柜，这样可大大地节省人工成本和降低劳动强度，同时达到吊装机柜一次成功，有效规避机柜损伤，尤其是在公司批量生产的某船建造中使舰艇设备快速、安全装船，实现公司工艺工装方法升级换代，缩短生产建造周期，提高生产效率。

2 三维激光扫描投影系统（Iris）

本文采用Virtek公司的三维激光扫描投影系统（Iris），结合激光投影和3D视觉技术，创建称为虚拟工装的全新精密装配技术，在3D空间对物体进行定位并在装配流程中快速锁住CAD软件指定的装配位置，而不需要定位工装或预先划线即可快速定位装配的确切位置;它可消除因使用部件上不正确的参考点而导致的错误。另外，零件的任何移动将自动对系统进行重新定位。

系统简单易学，应用Virtek公司Planner软件读取被扫描部件的STEP、CATIA或CAD文件，生成投影文件和数据参考文件，并输出视觉线索及工具导向，指导操作员完成工作流程。

2.1 系统组成

系统主要由：LPS7H激光投影头;空间定位器;系统软件和电源配件组成，如图1所示：

2.2 工作原理

系统的工作原理：首先，空间定位器对被扫描的部件进行扫描定位;然后将部件的三维点云数据送至系统软件，经过数据处理和修正后，生成部件的三维视图，并将数据模型导入激光投影机中;在投影处理程序PDC中打开，把需要投影的点、线、轮廓按照投影的顺序、基准等逐条选出来，把需要加的提示信息及投影控制等设置好，形成一个投影文件，然后把该文件输给投影设备，投影设备即可以按照文件规定，把这些线条或图形逐条投射出来，并与实际部件模型进行对比。

2.3 操作步骤

以大型特种设备机柜为例，系统的操作步骤如下：

（1）将设备机柜图纸转化为简单的三维模型，带有安装孔、顶面轮廓、侧面轮廓等信息参数。

机柜孔位数据采集主要有两种方法：第一种方法是直接利用空间定位器测量机柜的孔位和外形尺寸，将数据送至系统软件，然后进行后期数据处理;第二种方法是按设备厂家提供的机柜图纸，利用系统自带的画图软件绘制成三维模型图;

（2）利用空间定位器现场采集底板、下基座、靠背侧板、靠背基座三维尺寸，生成三维点云数据;

（3）将采集的三维点云数据，通过软件生成可投影的三维模型;

（4）将机柜三维模型导入生成的基座三维模型，按照安装基准模拟装配，产生整体模型。该过程可查看基座安装是否正确，如需修改可及时调整;

（5）将整体模型导入投影软件，选取投影基准，设定投影孔、线、面等参数信息;

（6）现场选取基准，投影定位，配钻安装。

系统输出投影模型，采用不透视和透视两种方式：

（1）在不透视方式下，随着投影视角改变，投影模型在空间任意移动，可以确定机柜模型在安装位置上真实空间布局。

（2）在透视方式下，通过软件对3D模型进行切割处理，使投影得到特殊平面视图，将模型特征点、安装孔等安装要素清晰地投影在基座面上，施工人员按照模型投影进行定位、配钻，完成机柜安装工作。

4 实船安装应用

为了验证系统的有效性与可靠性，使用该系统对零件进行扫描投影：

如图2所示，在实体上的轮廓线与实体完全一致，说明扫描物体正确。但实体表面总是不完全平整的，当安装面出现凸凹不平的时候，若扫描过程中又是按光滑表面测量计算的，这样就会导致扫描结果和实际尺寸产生误差，需要在测量过程中消除;类似设备结构平行面、垂直面有偏差时也会出现相同的情况，也需要通过修正办法使扫描数据和实际尺寸完全一致。

在实际的生产工作中，考虑到设计和组装后的差异，可能会导致投影位置不佳，引起装配误差，如图3所示;

系统独有的分组数据空间定位功能，可以确保能根据壁板各局部的实际状况来分组投影，避免装配后的壁板产生变形，从而确保空间定位的准确性。正确投影效果示意图，如图4所示：

图5反映了某个安装零件模型与其轮廓投影的对比。在实际生产中，大多数安装件是不可以随意挪动的，比如大型特种设备机柜，重达一、两百公斤，挪动起来非常吃力。但通过三维激光扫描与投影系统按照1：1比例扫描成图像模型，并经过投影仪数据中心处理模型数据后，图像模型具有实体机柜的全部参数，可以输出三维投影模型。三维投影模型可根据现场需要随意改变模型空间布置，但不论怎样改变都不能改变实体模型任意点之间的相对位置，改变空间布置只不过是相对视角不同而已。

在机柜和基座的实际安装过程中，系统软件绘制或扫描形成的机柜三维模型，如图6所示：

利用空间定位器在舱室内采集下基座和靠背基座的安装要素和空间位置，每个独立的基座平面需采集12个点左右生成三维模型，如图7所示：

利用系统软件将机柜三维模型图与基座三维模型图进行模拟装配，该过程可查看机柜安装位置及安装孔大小是否有偏差，如有偏差可及时进行修改。装配后的三维模型，如图8所示：

在安装舱室内，按照相关操作步骤，利用激光投影设备进行机柜安装要素投影。激光设备投影时，既可单一点位置，又可整体投影安装要素，该过程无需搬装机柜画孔定位，减轻劳动强度，节约劳动时间，而且投影精度高，误差在0.5mm之内。

综上所述，三维激光扫描投影系统（Iris）满足机柜安装精度要求，首制船单个机柜定位安装时间约为85分钟，后续船由于无需再次采样机柜三维数据，所以单个机柜定位安装时间缩短为55分钟，速度提高30%左右。本安装工艺在装配过程中能早期发现施工错误，防止返工作业，节约人工和时间成本，缩短船舶建造周期，确保精确装配施工作业，提高安装工艺水平。

5 结论

随着船舶行业信息化和工业化发展不断加速，三维激光扫描投影技术在船舶工程领域的应用也不断加深。通过三维实体测量，将模拟实体大小、结构等装配要素集中投影于舱室的给定位置，施工人员根据投影标刻出施工关键要素进行装配，不仅减少了人工多次施工测绘，而且减少了机柜反复吊装次数，避免机柜损伤，大大地提高了现场施工装配水平，同时也减少了劳动成本。

先进的三维激光扫描投影技术应用于船舶建造及设备安装工作，不仅扫描范围大、速度快、精准度高、操作简单，而且降低了劳动强度，节约了劳动成本，提升了科技造船水平，为精度造船、绿色造船提供借鉴和参考。

参考文献

[1] 李清泉，杨必胜. 三维空间数据的实时获取建模与可视化[M]. 武漢大学学报，2003.

[2] 刘生炳，魏宗康，陈东生，夏 刚. 三维激光成像系统构像点定位方法[J]. 中国惯性技术学报，2013，21（5）：615-619.

[3] 张帆. 激光扫描数据三维建模中高保真度纹理重建研究[D]. 武汉大学学报，2008.

[4] 崔希民，马开锋，黄桂平. 现代三维工业测量系统研究进展及发展趋势分析[J]. 华北水利水电大学学报（自然科学版），2014，35（3）：56-61.

[5] 李广云. 工业测量系统最新进展及应用[J]. 测绘工程，2001，10（2）：36-40.

[6] 孙长库，叶声华. 激光测量技术[M]. 天津大学出版社，2001.