CN112017293B - 一种关于圆钢管几何初始缺陷的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于圆钢管几何初始缺陷的测量方法，使用测量工具包括手持式三维激光扫描仪和三维建模软件Geomagic Studio。首先通过手持式三维激光扫描仪对待测圆钢管外表面进行扫描；然后，将扫描结果导入三维建模软件Geomagic Studio中并进行合并与拼装，形成网格化三维模型；最后，建立相应的参考点、参考面、参考曲线后对测量出的数据进行几何测量，对几何初始缺陷进行统计分析。本发明提供的一种圆钢管几何初始缺陷测量方法，仅需要扫描与软件测量的过程，相比于传统方法，该方法操作简单，数据获取更为便捷、精准，可广泛运用于各种材料的圆钢管几何初始缺陷测量。

Description

一种关于圆钢管几何初始缺陷的测量方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，提供一种更为精确的基于三维扫描技术的几何初始缺陷测量方法，特别涉及关于圆钢管的几何初始缺陷测量方法。

背景技术

圆钢管结构在建筑结构中的应用广泛，在结构中作为承重与非承重构件来使用，例如钢管柱、钢桁架、钢管护栏等，为准确分析圆钢管结构的受力性能，有必要对圆钢管的几何初始缺陷进行准确的测量，圆钢管在加工、运输过程中不可避免的会产生一些几何初始缺陷，如截面不圆度、局部凹陷等，这些初始缺陷会对圆钢管的承载力与变形产生干扰，也会影响有限元模拟与实际试验数据的一致性，因此对实际构件几何初始缺陷的准确测量是非常有必要的。

现有的关于圆钢管几何初始缺陷的测量方法包括接触式测量与非接触式测量，接触式测量主要通过一些测量工具如百分尺、游标卡尺、钢尺等直接对圆钢管的外部几何尺寸进行测量，非接触式测量包含立体摄影、超声波、激光、结构光、电磁波等对圆钢管进行精准测量。接触式测量虽然操作较为简便，但是精度不高，测量数据利用程度不高，非接触式测量方法能在未接触到试件的情况下进行测量，能准确又高效的测量圆钢管几何初始缺陷，具有较大的工程运用价值。

图1为目前圆钢管中存在的几何初始缺陷的示意图，其中a)图为圆钢管横截面理想形态与现实形态的对比，b)图为圆管侧面理想形态与现实形态的对比，两者差距即为存在的几何初始缺陷，图中虚线为理想状态下圆钢管形态，实线为现实状态下圆钢管形态。

发明内容

为克服现有的基于实际测量工具(游标卡尺、钢尺等)的圆钢管几何初始缺陷测量时的难操作与不准确性，本发明提供一种更为精确且易于操作的圆钢管几何初始缺陷的测量方法。

本发明采用的手持三维激光扫描仪具有能在数据获取的同时建立三维网格模型的特点，扫描数据具有0.1mm的精度，且在复杂扫描环境中也能精准扫描。

本发明提供一种圆钢管几何初始缺陷的测量方法，包括：1)将被测量的圆钢管放置平面上，打开手持式三维激光扫描仪对圆钢管进行圆钢管外壁扫描，获取完整的圆钢管外壁模型；2)将扫描出的模型导入Geomagic Studio软件中，随后进行精准化处理，建立完整准确的圆钢管模型；3)在处理后的准确模型上创建参考面、建立测量点；4)将测量点的坐标导出，统计并计算分析得出各个测量点到中心旋转轴的距离，将所测量数据进行处理，得出圆钢管的几何初始缺陷数据。

所述扫描及测量方法中涉及的硬件、软件分别为：用于对圆钢管进行三维扫描处理的手持式激光三维扫描仪一台；用于扫描模型的处理、图像采集和数据处理的计算机一台；处理数据的逆向工程软件Geomagic Studio；一个用于处理缺陷数据的软件。

步骤1：采用手持式三维扫描仪对圆钢管进行外表面扫描，即时形成或多段式拼装形成完整的三维模型，途中可多次扫描形成最完整、最精确的模型图。

优选地，进行扫描的三维激光扫描仪可采用手持式或地面式扫描仪，本方法中采用的手持式，扫描时手持扫描仪多方位旋转扫描圆钢管。

优选地，扫描后的模型会显示在与激光三维扫描仪相连接的自带软件中，而后导入计算机软件Geomagic Studio中，扫描中可实时观察在软件中显示的已扫描的模型部分，针对漏扫的模型部分进行补充扫描。

步骤2：对扫描模型进行初步处理，目的是在保持原有扫描模型的情况下针对扫描过程中存在的一些误差点进行删除，在点云阶段进行去除杂点、噪声点(针对扫描后软件图形显示界面中一些游离于钢管体之外的扫描点)，并进行点云数量优化，后对模型进行封装(网格划处理)，形成完整模型。

对圆钢管进行测量需要在处理后的圆钢管模型上建立坐标系，通过拟合建立圆钢管的中心旋转轴，后续建立测量所需的参考面、参考曲线、参考点。

建立扫描模型的坐标系，利用三维建模软件Geomagic Studio对网格化的圆钢管模型进行几何测量，首先根据扫描模型建立其贯穿圆钢管的旋转轴，并建立以旋转轴为Z轴的坐标系，命名坐标系1。

可选地，全局坐标系也可调整为与坐标系1一致的坐标系。

步骤3：根据旋转轴建立特征参考面，分别创建贯通旋转轴、与旋转轴成E°的环向特征参考面，每个参考平面均贯穿圆钢管，沿环向的参考平面数量为建立位于坐标原点(即旋转轴中心)的垂直于旋转轴的中心平面，沿轴向设置n个参考平面，最外侧测量平面在距两端A mm处，圆钢管全长为L mm，测量间距为/>各参考点间的距离设为S mm。

优选地，特征参考面数量可酌情进行增加，增加的越多测点就密集，测量的几何初始缺陷就越贴近实际情况。

根据创建的各个特征参考面与扫描对象，选择从截面创建曲线，在圆钢管扫描对象与特征参考面相交的地方创建一个三维对象的二维轮廓曲线，在截取的轮廓曲线上根据均匀间距创建多个测量点，间距越小测量点数量越多，后续对几何初始缺陷数据的分析会更加精准。

可选地，创建测量点后可根据测量需要调整测量点数量，设置格栅即均匀间距，进行测量点数据的调整。

在截取的曲线上创建间距均匀的点，包含环向与轴向的点，然后在模型树上钉住，这些点后续用于测量与中心旋转轴的间距，将测量的间距进行数据统计整理，环向点作为不圆度的分析数据，在整个圆钢管模型测量间隔均匀的多个环向点集数据作为几何初始缺陷的不圆度分析参数，轴向的点集数据作为圆钢管模型的局部凹凸初始缺陷与整体初始缺陷的分析数据，将环向与轴向的采集数据综合分析可作为圆钢管其他几何初始缺陷数据的分析依据。

步骤4：将创建的测量点坐标导出，通过计算分析得出测量点至旋转轴的距离，由于圆钢管存在几何初始缺陷，所以同一环向或轴向曲线上的点测出的距离是有差异的，轴向点测出距离的差异构成局部与整体几何初始缺陷，环向点测出距离的差异(半径不同)构成不圆度。

可选地，对圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理，首先建立测量点后由软件Geomagic Studio导出各个测点的坐标，通过公式计算 R_Cnm、R_Anm分别为各环向、轴向测点距轴线距离，下标A表示轴向测量点，下标C表示环向测量点，n为不同截面的序号，取值1，2，3……，m为同一平面上不同测点位置，取值1，2，3……，计算得出的R值为圆钢管上各测点的半径值，通过半径的不同来比较得出圆钢管的几何初始缺陷。

对圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理，不同平面上环向测量点数据分别为{R_C11、R_C12、R_C13……R_C1m}、{R_C21、R_C22、R_C23……R_C2m}、{R_C31、R_C32、R_C33……R_C3m}……{R_Cn1、R_Cn2、R_Cn3……R_Cnm}，先将计算得出的半径求出均值，找出最大值与最小值，计算出圆钢管各个截面的不圆度例如：关于局部凹陷，不同平面上各组轴向测量点数据分别为{R_A11、R_A12、R_A13……R_A1m}、{R_A21、R_A22、R_A23……R_A2m}、{R_A31、R_A32、R_R33……R_A3m}……{R_An1、R_An2、R_An3……R_Anm}，计算各个测点到轴线的距离，与距离均值之差即为局部凹陷值，计算公式为y＝f(x)＝R_Anm-R_Anave，以测点数据平均值为基准，得出y值为正表示圆钢管壁向外部凸出，为负值则向内凹陷；关于整体初始缺陷：υ₀＝R_Cnmax-R_Cnmin，取各组轴向测点测得的最大半径与最小半径值之差即为整体几何初始缺陷幅值。

附图说明

图1为圆钢管几何初始缺陷形态示意图。

图2为几何初始缺陷测量流程图。

图3为使用的手持式三维扫描仪。

图4为扫描后的圆钢管三维图像。

图5为在Geomagic studio软件中建立钢管模型坐标系。

图6为建立的各个特征参考面，包含贯穿旋转轴、与垂直旋转轴的特征平面。

图7为在圆管扫描模型上创建测量点的流程图。

图8为导出测量点坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施测量例子，对本发明的具体实施方式进一步进行详细解释，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2为本发明实施案例一种圆钢管模型的几何初始缺陷测量方法的流程图，主要测量步骤为，1)将被测量的圆钢管放置平面上，打开手持式三维激光扫描仪对圆钢管外壁进行全方位扫描；2)将扫描出的模型进行导入Geomagic Studio软件中，进行精细化处理，建立完整准确的圆钢管模型；3)在处理后的准确模型上创建参考面、建立测量点；4)将测量点的坐标导出，统计分析得出各个测量点到中心旋转轴的距离，将所测量数据进行处理，得出圆钢管的几何初始缺陷数据。

三维扫描仪的用途是创建几何物体表面的点云，扫描时创建的点云插补成为物体的表面形状，扫描时生成的点云越密集，创建的模型对象就越精确，此过程成为三维重建，物体表面的凸起、刻痕、颜色等都能通过扫面进行三维重建，通过三维扫描仪扫描出的物体具有一定的精确性。

具体的，本例采用的为手持式三维激光扫描仪，是一种高精度的三维光学扫描设备，具有的三维测量功能；三维激光扫描仪所扫描得出的三维网格可以在软件里进行直线、路径、法线、竖直、水平的距离测量。

由于测量点较多，分别测量测量点到旋转轴的距离非常费时，所以采用将测量点的坐标导出，对其进行数据处理后能快速、便捷的整理出测量点至旋转轴的距离。

本发明的实例中采用的手持式三维激光扫描仪，如图3所示。

Geomagic studio是业界一款结合了实时三维扫描、三维点云和三维网格编辑功能及全面CAD造型设装配建二维出图等功能的三维设计软件。三维检测软件GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，扫描出的圆钢管三维图像如图4所示。

扫描时利用Geomagic studio软件的即时融合功能，能将扫描到的模型在扫描中自动融合，并能一边扫描一边查看模型寻找漏扫之处，扫描后得到完整的三维模型图。

本发明中设计的基于三维扫描仪对圆钢管几何初始缺陷的测量方法，具体操作步骤如下：

步骤1：采用上文所述的手持式激光三维扫描仪对被测圆钢管外壁进行全方位扫描，生成点云数据，扫描后导入到软件Geomagic studio中，扫描后的模型图像如图4所示。

步骤2：将扫描后的初步模型进行处理，去除噪点、优优化点云数量及排列、删除体外孤点，将扫描后生成的初始点云进行封装，得出初始网格模型，将网格进行优化处理得出多边形三维模型图。

噪点的删除、点云数量的优化均未改变原始扫描模型的准确性，只是处理掉扫描时外物干扰或扫描方法不当造成的扫描对象之外的点出现在模型周围。

步骤3：创建测量点，进行测量点的前提首先要根据扫描模型创建参考坐标系、参考面、参考线。在Geomagic studio中根据扫描对象圆钢管拟合出圆钢管的旋转轴，作为要建立的坐标系的Z轴，根据Z轴创建X、Y轴，形成坐标系1，如图5所示。

根据旋转轴建立特征参考面，分别创建贯通旋转轴、与旋转轴成60°的环向特征参考面1-3，如图6a)所示，三个参考面均贯穿圆钢管。

创建沿轴向特征参考面，首先建立位于坐标原点(即旋转轴中心)的垂直于旋转轴的中心平面如图6b)，并将中心平面偏移得出所需轴向参考面，本例中钢管实际长度700mm，距离圆钢管两端50mm处设立参考平面，其他参考面间距均为100mm，中心平面与平面1-6如图6c)所示。

根据创建的环向、轴向参考面创建曲线，选择从截面创建曲线，在圆钢管扫描对象与参考面相交的地方创建一个三维对象的二维轮廓线，在曲线上创建间距均匀为10mm的点，创建的点为后续需要测量的点，如图7所示。

步骤4：在曲线上创建间距均匀的点，包含环向与轴向的点，这些点后续用于测量与中心旋转轴的间距，利用Geomagic studio软件的导出功能的将各个测量点的坐标导出，计算分析后得出测量点距圆钢管旋转轴的距离，后再次进行数据统计整理，图8为对测量点集坐标的导出示意图。

根据导出的坐标进行几何初始缺陷数据处理，首先通过公式计算R_Cnm、R_Anm分别为各环向、轴向测点距轴线距离，下标A表示轴向测量点，下标C表示环向测量点，n为不同截面的序号，取值1，2，3……7，m为同一平面上不同测点位置，取值1，2，3……m，计算得出的R值为圆钢管上各圆截面上测点的半径值，通过半径的不同来比较得出圆钢管的几何初始缺陷。

对圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理，统计不同平面上环向测量点数据共7组，分别为{R_C11、R_C12、R_C13……R_C1m}、{R_C21、R_C22、R_C23……R_C2m}、{R_C31、R_C32、R_C33……R_C3m}……{R_C71、R_C72、R_C73……R_C7m}，先将计算得出的半径求出均值R_Cave，找出最大值与最小值，计算出圆钢管各个截面的不圆度例如：

关于局部凹陷的计算，轴向测点共包含6组数据，统计不同轴向测点数据{R_A11、R_A12、R_A13……R_A1m}、{R_A21、R_A22、R_A23……R_A2m}、{R_A31、R_A32、R_R33……R_A3m}……{R_A61、R_A62、R_A63……R_A6m}，为轴向测点半径计算得出后，与距离均值之差即为局部凹陷值，计算公式为y＝f(x)＝R_Anm-R_Anave，以测点数据平均值为基准，得出y值为正表示圆钢管壁向外部凸出，为负值则向内凹陷；关于整体初始缺陷：υ₀＝R_Cnmax-R_Cnmin，取各组轴向测点测得的最大半径与最小半径值之差即为整体几何初始缺陷幅值。

在扫描模型上创建的测量点，无论环向还是轴向的均需要测量这些测量点距中心旋转轴的距离，由于圆钢管存在几何初始缺陷，所以同一环向或轴向曲线上的点测出的距离是有差异的，轴向点测出距离的差异构成局部与整体几何初始缺陷，环向点测出距离的差异(半径不同)构成不圆度。

Claims (6)

1.一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，该测量方法的实施步骤如下，

1)扫描获取圆钢管三维模型；

2)将圆钢管三维模型导入模型处理软件中进行模型初步处理；

3)在初步处理后的圆钢管三维模型上创建参考面、参考曲线、建立测量点；

4)导出测量点坐标，进行圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理；

所述将圆钢管三维模型导入模型处理软件中进行模型初步处理的步骤中，在点云阶段对三维模型进行去除杂点、噪声点，并将点云数量优化，后对模型进行封装，目的是针对扫描过程中存在的一些扫描误差进行删除，并进行完整性处理；

所述在初步处理后的圆钢管三维模型上创建参考面、参考曲线、建立测量点的步骤中包含：

1)三维圆钢管模型上创建坐标系、参考面，创建以圆钢管旋转轴为Z轴的坐标系，XY平面垂直于圆钢管横截面；

2)利用创建的多个参考面对三维对象进行截取，创建相交曲线，在曲线上创建测量点；

建立参考面、参考曲线、参考点过程如下，沿轴向参考平面的设置，设置n个参考平面，最外侧测量平面在距两端A mm处，圆钢管全长为L mm，不同组环向测量点间距为关于沿环向参考平面的设置，相邻参考平面的相间角度为E°，每个参考平面均贯穿圆钢管，环向参考平面数量为/>各参考点间的距离设为S mm；

所述导出测量点坐标，进行圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理步骤中，利用Geomagic Studio软件将模型中设定的参考点的坐标导出，统计分析后得出测量点至圆钢管旋转轴的距离，即为现实中存在缺陷的圆钢管各点处的半径，通过对环向与轴向的半径进行数据处理即得出圆钢管不圆度、局部凹陷、整体几何初始缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，扫描圆钢管三维模型的步骤包含：将圆钢管放置在平台上，将三维激光扫描仪围绕圆钢管旋转一周，对圆钢管外表进行三维模型数据采集，获取完整圆钢管三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，采用的扫描仪为手持式三维激光扫描仪，对圆钢管外壁进行完整扫描后生成点云文件，并导入所配备的电脑端的处理软件中，经过融合形成完整三维模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，对导入模型处理软件采用Geomagic Studio。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，对圆钢管几何初始缺陷的测量数据处理，首先建立测量点后由软件GeomagicStudio导出各个测点的坐标，通过公式计算出 R_Cnm、R_Anm分别为各环向、轴向测点距轴线距离，下标A表示轴向测量点，下标C表示环向测量点，n为不同截面的序号，取值1，2，3……，m为同一平面上不同测点位置，取值1，2，3……，计算得出的R值为圆钢管各测量平面上测点的半径值，通过半径的不同来比较得出圆钢管的几何初始缺陷。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维扫描数据的圆钢管几何初始缺陷测量方法，其特征在于，对于圆钢管几何初始缺陷的计算方法，不同平面上各组环向测量点数据分别为{R_C11、R_C12、R_C13……R_C1m}、{R_C21、R_C22、R_C23……R_C2m}、{R_C31、R_C32、R_C33……R_C3m}……{R_Cn1、R_Cn2、R_Cn3……R_Cnm}，先将计算得出的半径求出均值，找出最大值与最小值，计算出圆钢管各个截面的不圆度：关于局部凹陷，不同平面上各组轴向测量点数据分别为{R_A11、R_A12、R_A13……R_A1m}、{R_A21、R_A22、R_A23……R_A2m}、{R_A31、R_A32、R_R33……R_A3m}……{R_An1、R_An2、R_An3……R_Anm}，计算各个测点到轴线的距离，与距离均值之差即为局部凹陷值，计算公式为y＝f(x)＝R_Anm-R_Anave，以测点数据平均值为基准，得出y值为正表示圆钢管壁向外部凸出，为负值则向内凹陷；关于整体初始缺陷：υ₀＝R_Cnmax-R_Cnmin，取各组轴向测点测得的最大半径与最小半径值之差即为整体几何初始缺陷幅值。