轻松完成技术改造--利用3D激光扫描仪经济地完成技术改造

图1 3D激光扫描仪完整的采集着整套流程生产设备的数据，生成了3D－As－built的模型。

在工业生产领域中，根据生产过程状态数据的采集，进行技改项目的3D建模已经越来越普遍。其中利用3D扫描仪就是一种高效的三维建模方法。

无论是在化学工业、石油化工或者在设备制造领域中，工业化生产设备的技术改造方案始终是流程设备生产企业和技改项目责任企业需要解决的重点问题，也为它们提出了很高的要求。此时，由于现有流程设备各个零部件之间的相互安装位置已定，剩余的可用空间非常狭小，因此在技改项目规划的前期就必须制定较详细的材料计划，以便能够在几何尺寸和安装位置等方面再现老设备的原有风貌。另外还要考虑当前流程设备布置提出的要求。而寻找有价值的技术资料的尝试通常都是无果而终，因为现有流程生产设备改动的内容一般都没有记录下来。因此，很多流程设备设计规划者都在推动、促进寻找解决这一问题的方案。其中，利用3D激光扫描仪进行扫描，并把扫描结果转换为CAD三维图形就是一种高效、高精度和经济的解决方案。

厂址位于德国Worms的Evonik R?hm公司是Evonik工业公司的一个下属子公司，从开始着手技改项目的准备工作时起，它们就提供了满足下一步技术服务的坚实基础。在流程设备技术改造过程中，急需的是一份Intergraph PDS格式的管道连接图。另一项要求很高的工作就是数据的采集范围：1500m长的一段管道应在给定的时间段里完成测绘、建模，从而保证按时完成技改方案的制定。

其他可以采用的替代方案有：视距测量法、准距快速测定法，摄像测量法或者手工测绘等。但出于流程设备的复杂性和对所绘制图纸可靠性的要求，这些方法都无法采用。采用这些方法达到与3D扫描相同的精度和可靠性所支付的费用是相当惊人的。由于只有部分管道连接是可以方便的扫描测绘的，因此还要考虑其他的补充解决方案。项目负责人Karl-Heinz G?rlich先生和项目组中负责CAD技术的Rainer Felger先生回忆说：“解决方案就在3D激光扫描技术之中，利用3D激光扫描技术对管道系统进行扫描，利用3D As-built模块进行建模。”

激光扫描的工作原理

扫描的范围大小由事先设置的参考点范围所确定，扫描范围的长和高可以由激光扫描仪现场匹配确定。首先要对参考点进行检测，并做好永久标记，这样处理之后，这些参考点既可用于其他检测任务，也可用于事后的复查。激光扫描仪用速度很高的不可见激光束对周围环境进行探测。在探测时，激光光束沿水平和垂直方向旋转，从而以极高的精度采集周围40m内的可见物体的数据。在4min内即可生成一幅被扫描对象的像素图像，每一个像素点表示一个空间坐标。在这样的像素图片中，可以直接进行空间点的位置测量。在插入参考点之后，可在一张扫描图片中得出整个设备现场的散点图。

图2 1500m长的交叉管道系统必须在规定的时间内完成数据采集并建立其相应的模型。

这种技术的优点在于：

速度快：扫描一张图片所需的时间不足4min。

清晰度高：激光扫描仪具有很高的清晰度（4千万检测点＝坐标点）。

在技改项目的初步规划设计时可以实现3D-CAD图形与流程设备实际状态扫描散点图的对比。

利用3D图片具有很好的可再现性。

通过与现有设计、模型的对比可以在早期避免管道的碰撞。

由于是一种无接触式的检测方法，因此可以对危险场合进行扫描。

当然这一技术的应用也受到了一定的限制。其中之一就是被遮挡的、激光射束无法直接“看到”的部位。这些都可以记录下来，最后再与用户协商如何处理。

CAD建模

人们可以从不同角度对激光扫描的结果进行评估。这一技术的当前水平做到了将扫描得到的散点图进行建模，保存到数据库中供随时调用。3D-CAD模型要在用户使用的基本数据格式下建立。在本文介绍的项目实例中，数据的采集和PDS模型都是由eSZett和iQvolution公司来完成的。

Evonik R?hm公司提供的建模方法是图像的干扰边模式（St?rkantenmodell）。在位置比例要求严格的情况下，这种方法是非常有优势的。例如用于表达带有管道控制件、钢结构件以及操作件的管道。另外，建成后的模型也可以附带其他技改项目所需的信息。

采用这一技术之后，可以通过以下途径为用户节约资金：

技改项目一开始就实现了现有流程设备的全数字化。从而可以大大的减少现场的详细工作。

激光扫描是惟一高速、高精度和可再现检测结果的数据采集方法。

激光扫描的结果不仅可以用来建立3D-CAD模型，而且还可以用来绘制装配图和轴测图等等。

G?rlich先生补充说：“在有限的资金投入情况下得到最高的准确度是最重要的。因此我们决定采用这种技术。”对他们来讲，这一技术的出现是非常及时的。通过这一技术的应用，也使他们更加信任这一技术，积累了丰富的经验。

Rainer Felger先生解释说：“这一技术的速度之快、精度之高给我们留下了深刻的印象。技改项目的进度得到了保障，企业的生产没有受到影响。生成的模型尺寸比例非常准确、完整。采集到的数据对流程设备的技术改造非常有价值。”

图1 3D激光扫描仪完整的采集着整套流程生产设备的数据，生成了3D－As－built的模型。

在工业生产领域中，根据生产过程状态数据的采集，进行技改项目的3D建模已经越来越普遍。其中利用3D扫描仪就是一种高效的三维建模方法。

无论是在化学工业、石油化工或者在设备制造领域中，工业化生产设备的技术改造方案始终是流程设备生产企业和技改项目责任企业需要解决的重点问题，也为它们提出了很高的要求。此时，由于现有流程设备各个零部件之间的相互安装位置已定，剩余的可用空间非常狭小，因此在技改项目规划的前期就必须制定较详细的材料计划，以便能够在几何尺寸和安装位置等方面再现老设备的原有风貌。另外还要考虑当前流程设备布置提出的要求。而寻找有价值的技术资料的尝试通常都是无果而终，因为现有流程生产设备改动的内容一般都没有记录下来。因此，很多流程设备设计规划者都在推动、促进寻找解决这一问题的方案。其中，利用3D激光扫描仪进行扫描，并把扫描结果转换为CAD三维图形就是一种高效、高精度和经济的解决方案。

厂址位于德国Worms的Evonik R?hm公司是Evonik工业公司的一个下属子公司，从开始着手技改项目的准备工作时起，它们就提供了满足下一步技术服务的坚实基础。在流程设备技术改造过程中，急需的是一份Intergraph PDS格式的管道连接图。另一项要求很高的工作就是数据的采集范围：1500m长的一段管道应在给定的时间段里完成测绘、建模，从而保证按时完成技改方案的制定。

其他可以采用的替代方案有：视距测量法、准距快速测定法，摄像测量法或者手工测绘等。但出于流程设备的复杂性和对所绘制图纸可靠性的要求，这些方法都无法采用。采用这些方法达到与3D扫描相同的精度和可靠性所支付的费用是相当惊人的。由于只有部分管道连接是可以方便的扫描测绘的，因此还要考虑其他的补充解决方案。项目负责人Karl-Heinz G?rlich先生和项目组中负责CAD技术的Rainer Felger先生回忆说：“解决方案就在3D激光扫描技术之中，利用3D激光扫描技术对管道系统进行扫描，利用3D As-built模块进行建模。”

激光扫描的工作原理

扫描的范围大小由事先设置的参考点范围所确定，扫描范围的长和高可以由激光扫描仪现场匹配确定。首先要对参考点进行检测，并做好永久标记，这样处理之后，这些参考点既可用于其他检测任务，也可用于事后的复查。激光扫描仪用速度很高的不可见激光束对周围环境进行探测。在探测时，激光光束沿水平和垂直方向旋转，从而以极高的精度采集周围40m内的可见物体的数据。在4min内即可生成一幅被扫描对象的像素图像，每一个像素点表示一个空间坐标。在这样的像素图片中，可以直接进行空间点的位置测量。在插入参考点之后，可在一张扫描图片中得出整个设备现场的散点图。

图2 1500m长的交叉管道系统必须在规定的时间内完成数据采集并建立其相应的模型。

这种技术的优点在于：

速度快：扫描一张图片所需的时间不足4min。

清晰度高：激光扫描仪具有很高的清晰度（4千万检测点＝坐标点）。

在技改项目的初步规划设计时可以实现3D-CAD图形与流程设备实际状态扫描散点图的对比。

利用3D图片具有很好的可再现性。

通过与现有设计、模型的对比可以在早期避免管道的碰撞。

由于是一种无接触式的检测方法，因此可以对危险场合进行扫描。

当然这一技术的应用也受到了一定的限制。其中之一就是被遮挡的、激光射束无法直接“看到”的部位。这些都可以记录下来，最后再与用户协商如何处理。

CAD建模

人们可以从不同角度对激光扫描的结果进行评估。这一技术的当前水平做到了将扫描得到的散点图进行建模，保存到数据库中供随时调用。3D-CAD模型要在用户使用的基本数据格式下建立。在本文介绍的项目实例中，数据的采集和PDS模型都是由eSZett和iQvolution公司来完成的。

Evonik R?hm公司提供的建模方法是图像的干扰边模式（St?rkantenmodell）。在位置比例要求严格的情况下，这种方法是非常有优势的。例如用于表达带有管道控制件、钢结构件以及操作件的管道。另外，建成后的模型也可以附带其他技改项目所需的信息。

采用这一技术之后，可以通过以下途径为用户节约资金：

技改项目一开始就实现了现有流程设备的全数字化。从而可以大大的减少现场的详细工作。

激光扫描是惟一高速、高精度和可再现检测结果的数据采集方法。

激光扫描的结果不仅可以用来建立3D-CAD模型，而且还可以用来绘制装配图和轴测图等等。

G?rlich先生补充说：“在有限的资金投入情况下得到最高的准确度是最重要的。因此我们决定采用这种技术。”对他们来讲，这一技术的出现是非常及时的。通过这一技术的应用，也使他们更加信任这一技术，积累了丰富的经验。

Rainer Felger先生解释说：“这一技术的速度之快、精度之高给我们留下了深刻的印象。技改项目的进度得到了保障，企业的生产没有受到影响。生成的模型尺寸比例非常准确、完整。采集到的数据对流程设备的技术改造非常有价值。”

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