CN104764413A - 海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法，它包括以下步骤：在CAD三维软件中建立海洋结构物甲板片的三维模型，并对甲板片的主梁外轮廓直线信息进行提取；使用三维激光扫描系统对焊接后的甲板片进行扫描，得到实际焊接后甲板片的点云数据；将甲板片的三维模型的轮廓信息进行坐标变换，统一到点云数据的坐标系下；搜索甲板片主梁外轮廓周围区域内的点获得特征邻域点云集合；对特征邻域点云集合进行分析计算，提取出实际的甲板片主梁外轮廓直线；计算出主梁两个中线交点的坐标；求取所有需要测量的甲板片主梁交点位置坐标；对比实际主梁两个中线交点坐标与理论主梁两个中线交点坐标的偏差。采用本方法测量精度和效率可以大幅提高。

Description

海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法

技术领域

本发明涉及一种焊接变形测量方法，尤其涉及海洋结构物甲板片的焊接变形测量方法。

背景技术

海洋结构物甲板片焊接后往往会产生变形，因此就需要在焊接后对甲板片进行测量，检验出焊接质量是否合格。当前多数海洋结构物甲板片焊接变形测量采用全站仪对甲板片主梁的交点进行逐点测量，然后与设计的交点坐标进行比对检验。该方法效率较低，而且容易产生测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种测量精度和效率可以大幅提高的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法，它包括以下步骤：

(1)在CAD三维软件中建立海洋结构物甲板片的三维模型，并对甲板片的主梁外轮廓直线信息进行提取；

(2)使用三维激光扫描系统对焊接后的甲板片进行扫描，得到实际焊接后甲板片的点云数据；

(3)将甲板片的三维模型的轮廓信息进行坐标变换，统一到点云数据的坐标系下；

(4)搜索甲板片主梁外轮廓周围区域内的点获得特征邻域点云集合；

(5)对特征邻域点云集合进行分析计算，提取出实际的甲板片主梁外轮廓直线；

(6)通过计算得到主梁中线，从而计算出主梁两个中线交点的坐标；

(7)重复所述的步骤(1)至步骤(6)，求取所有需要测量的甲板片主梁交点位置坐标；

(8)对比实际主梁两个中线交点坐标与理论主梁两个中线交点坐标的偏差，检验出焊接质量是否合格。

本发明的优点在于：采用三维激光扫描系统扫描甲板片，可一次性提取出需要测量的交点信息，相比于以往的全站仪逐点测量，本方法的测量精度和效率可以大幅提高；因为海洋结构物甲板片焊接变形测量主要测量的是主梁焊接交点，所以在CAD模型辅助下处理点云数据，将减少其他不必要的数据计算工作，提高效率。

附图说明

图1是本发明的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法采用的坐标计算三维示意图；

图2是发明的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法采用的特征信息周围区域点云搜索示意图。

图3是本发明的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法采用的轮廓线中线及其交点示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明是海洋结构物甲板片焊接变形测量新技术，它包括以下步骤：

(1)在CAD三维软件中建立海洋结构物甲板片焊接后的理论三维模型，并对甲板片的主梁外轮廓直线信息进行提取，甲板片的主梁的结构形式为工字钢焊接而成的钢架结构；

(2)使用三维激光扫描系统对甲板片进行扫描，得到实际焊接后甲板片的点云数据，然后对点云数据进行优化处理，得到优化的实际焊接后甲板片点云数据；优化处理通常包括去噪等处理。三维激光扫描系统可以在市场购得，三维激光扫描系统的工作原理为：

三维激光扫描系统是采用脉冲激光测距的方法，通过激光脉冲二极管发射激光脉冲，射向被测物体，激光碰到被测物体的表面后反射回来，由系统内的探测装置接收并记录。根据激光束发射和接收的时间差T，计算扫描点到仪器的斜距S，同时获取此激光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ，计算出扫描点用空间坐标系中X方向、Y方向、Z方向3个矢量数据表示。见图1。

计算扫描点空间坐标时，坐标原点为系统内部测距激光发射的几何中心，Z轴为仪器的竖轴，Y轴为扫描默认起始方位，X轴与Y、Z轴垂直构成空间坐标系。通过计算可得扫描点P的坐标(X_p，Y_p，Z_p)，即

$\left\{\begin{array}{c}{X}_p=S\cos \mathrm{\θ\α}\cos \mathrm{\α}\\ Y_p=S\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\α}\\ Z_p=S\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中距离是利用激光发射和接收的时间差T来计算的，为：

$S=\frac{T}{2}\×C_0---\left(2\right)$

式(2)中C₀为光速。

(3)将提取的理论焊接后甲板片主梁的轮廓线信息进行坐标变换，统一到点云数据的坐标系下；

坐标变换的具体算法如下：

取三维模型轮廓信息坐标系的原点为P₀和在X轴、Y轴上各取一点P₁和P₂，点云数据坐标系的原点Q₀，取X轴、Y轴上各一点Q₁和Q₂。

以P₀点做为原点，P₀到P₁方向做为X轴方向，用上述点构造理论模型坐标系，构建得到的单位向量：

$e_1=\frac{P_1-P_0}{|P_1-P_0|}---\left(3\right)$

Z轴方向确定是通过X轴方向向量e₁与P₁到P₂的方向矢量的叉乘，构建出的Z轴的单位向量为：

$e_3=\frac{e_1\×(P_2-P_1)}{|e_1\×(P_2-P_1)|}---\left(4\right)$

再以e₁、e₃的叉乘计算得到Y轴方向的单位向量：

e₂＝e₁×e₃   (5)

同上，通过点云数据中的点Q₀、Q₁、Q₂进行点云数据中三个坐标轴的计算，得到的单位向量：

$e_1^{\′}=\frac{Q_1-Q_0}{|Q_1-Q_0|}---\left(6\right)$

$e_3^{\′}=\frac{e_1^{\′}\×(Q_2-Q_1)}{|e_1^{\′}\×(Q_2-Q_1)|}---\left(7\right)$

e′₂＝e′₁×e′₃   (8)

在坐标变换完成后，两个坐标系基本可以达到重合的状态，若M和M’为同一向量在这两个坐标系中的坐标，则：

[e′₁ e′₂ e′₃]M′＝[e₁ e₂ e₃]^T×M   (9)

因为是一个正交矩阵，则匹配矩阵里的旋转R为：

R＝[e′₁ e′₂ e′]×[e₁ e₂ e₃]^T   (10) 

M′＝([e′₁ e′₂ e′₃]^T)^-1×[e₁ e₂ e₃]^T×M   (11)

匹配矩阵的平移矩阵T为：

T＝Q₀-P₀   (12)

完整的匹配矩阵为：

$C=\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(13\right)$

(4)以经过坐标变换的理论焊接后甲板片主梁的轮廓线为轴线，对每一个轮廓特征线周围设定区域的领域点云数据进行搜索；

邻域点云数据搜索具体步骤为：

步骤一、将理论三维模型的轮廓特征信息整合到点云数据的坐标系后，通过人工移动使点云数据和理论三维模型的轮廓线位置基本重合；

步骤二、以经过坐标变换的理论焊接后甲板片主梁的轮廓特征线为轴线，生成圆柱体，然后用球体对特征周围形成的圆柱体进行空间填充，用一系列球体所包含的点集近似代替圆柱体内部点；

步骤三、使用k-邻域点云搜索方法对轮廓线周围进行邻域搜索；例如计算某空间点p的k-邻域的方法是求出其余n-1个点到点p的空间距离d_i，i∈[1,n-1],然后对其进行从小到大排序，取前k个点作为该空间点的k-邻域。该方法详见2013年5月南京师范大学硕士学位论文“影响特征线辅助下的三维激光点云建筑物建模”一文。

(5)将搜索到的邻域点云数据进行轮廓线提取，获得实际焊接后甲板片主梁的轮廓线；

轮廓线提取方法具体如下：

由于主梁轮廓是甲板片的上面与其轴向两个侧面的分界线，在分界线处点云法向或曲率存在突变。此处为了降低其他因素的干扰，步骤一、先将点云数据中具有法向或曲率突变的点舍去；步骤二、根据甲板片上面与其轴向两个侧面内点云法向指向不同特性进行区域分类，然后得到上表面和与其相交的各面两区域点云；步骤三、利用最小二乘法拟合两区域空间平面P₁、P₂，数学表达式为:

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1:a_{1}x+b_{1}y+c_{1}z+d_1=0\\ P_2:a_{2}x+b_{2}y+c_{2}z+d_2=0\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂分别为空间平面P₁、P₂表达式中的系数，x、y、z分别为两面上点的坐标。

联立两空间平面方程，求取两空间平面的交线来表示实际焊接后甲板片主梁的轮廓线。相交空间直线方程数学表示：

式(15)中，(x₀，y₀，z₀)为空间直线上任意一点，为空间直线的方向向量。

(6)每条主梁都可获得两条轮廓线，计算两轮廓线中线，然后计算出中线的交点。

如图3所示，具体步骤如下；

第一步，计算出L1与L4交点D1，L3与L4交点D2。

第二步，计算出空间平行线L1与L3的中间线L2的表达式，即：

L2：

式(16)中，(x₃，y₃，z₃)为点D1和点D2的中点坐标，为空间直线L1的方向向量。

第三步，重复以上两步,计算出点D3坐标，然后计算出空间平行线L4与L6的中间线L5的表达式。

第四步，将计算得到的两条中间线L2和L5进行联立，解方程后得出交点坐标。

(7)重复所述的步骤(1)至步骤(6)，求取所有需要测量的甲板片主梁交点位置坐标；

(8)将实际焊接后甲板片主梁各交点位置的坐标与理论坐标进行比对，分析出偏差是否在控制范围内，检验焊接后甲板片是否合格。

本方法中使用三维激光扫描系统，对甲板片进行扫描，一次性获取甲板片主梁交点；通过CAD软件三维建模，在三维模型的辅助下对点云数据进行处理，能够准确快速的获得甲板片主梁的三维信息，减少对其他部分不必要的分析计算，提高测量的精度和效率。

Claims (3)

1.海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)在CAD三维软件中建立海洋结构物甲板片的三维模型，并对甲板片的主梁外轮廓直线信息进行提取；

(2)使用三维激光扫描系统对焊接后的甲板片进行扫描，得到实际焊接后甲板片的点云数据；

(3)将甲板片的三维模型的轮廓信息进行坐标变换，统一到点云数据的坐标系下；

(4)搜索甲板片主梁外轮廓周围区域内的点获得特征邻域点云集合；

(5)对特征邻域点云集合进行分析计算，提取出实际的甲板片主梁外轮廓直线；

(6)通过计算得到主梁中线，从而计算出主梁两个中线交点的坐标；

(7)重复所述的步骤(1)至步骤(6)，求取所有需要测量的甲板片主梁交点位置坐标；

(8)对比实际主梁两个中线交点坐标与理论主梁两个中线交点坐标的偏差，检验出焊接质量是否合格。

2.根据权利要求1所述的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法，其特征在于：所述的步骤(4)中邻域点云数据搜索具体步骤为：

步骤一、将理论三维模型的轮廓特征信息整合到点云数据的坐标系后，通过人工移动使点云数据和理论三维模型的轮廓线位置基本重合；

步骤二、以经过坐标变换的理论焊接后甲板片主梁的轮廓特征线为轴线，生成圆柱体，然后用球体对特征周围形成的圆柱体进行空间填充，用一系列球体所包含的点集近似代替圆柱体内部点；

步骤三、使用k-邻域点云搜索方法对轮廓线周围进行邻域搜索。

3.根据权利要求1或2所述的海洋结构物甲板片焊接变形测量新方法，其特征在于：所述的步骤(5)中特征提取方法具体如下：

步骤一、先将点云数据中具有法向或曲率突变的点舍去；

步骤二、根据甲板片上面与其轴向两个侧面内点云法向指向不同特性进行区域分类，然后得到上表面和与其相交的各面两区域点云；

步骤三、利用最小二乘法拟合两区域空间平面，数学表达式为:

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1:a_{1}x+b_{1}y+c_{1}z+d_1=0\\ P_2:a_{2}x+b_{2}y+c_{2}z+d_2=0\end{array}\right.$

式中a₁、b_l、c₁、d_l、a₂、b₂、c₂、d₂分别为空间平面P₁、P₂表达式中的系数，x、y、z分别为两面上点的坐标；

联立两空间平面方程，求取两空间平面的交线来表示实际焊接后甲板片主梁的轮廓线；相交空间直线方程数学表示：

$\frac{x-x_0}{{\mathrm{\θ}}_1}=\frac{y-y_0}{{\mathrm{\θ}}_2}=\frac{z-z_0}{{\mathrm{\θ}}_3}$

式中，(x₀，y₀，z₀)为空间直线上任意一点，(θ₁，θ₂，θ₃)万为空间直线的方向向量。