基于激光三維掃描的旋回破碎機(jī)襯板測量方法及其應(yīng)用

田振華，劉 俊，王躍輝，杜自彬，趙 虎，朱成睿

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

旋回破碎機(jī)是一種礦石粗碎設(shè)備，主要工作原理是利用動錐在內(nèi)腔中的旋回運動來進(jìn)行物料的擠壓、破碎[1]。旋回破碎機(jī)用于礦山系統(tǒng)的粗碎工段，礦石的體積較大，襯板磨損消耗較大，需要經(jīng)常更換。目前礦山企業(yè)都是基于經(jīng)驗對襯板進(jìn)行定期更換，這會造成襯板更換不及時，或者襯板壽命的浪費。由于襯板尺寸大，磨損面不規(guī)則，因此如何科學(xué)地對襯板磨損進(jìn)行評估測量，進(jìn)而可以計算襯板的壽命是目前需要解決的關(guān)鍵問題。

筆者提出了一種基于三維激光掃描、對旋回破碎機(jī)定錐和動錐襯板進(jìn)行測量的方法，測量過程中不需要拆卸襯板，只需使用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，對生成的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析即可[2]。此方法可量化襯板磨損數(shù)值，為礦企的備品備件計劃提供數(shù)據(jù)支持。

1 三維激光掃描儀及現(xiàn)場應(yīng)用

1.1 FARO 三維激光掃描儀簡介

采用 FARO 三維激光掃描儀對旋回破碎機(jī)襯板進(jìn)行掃描。三維激光掃描儀能夠快速、精確地獲取復(fù)雜物體和建筑物的測量結(jié)果。儀器配備觸摸屏，能對亮度急劇變化下捕捉的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行自然的顏色疊加，掃描完畢后生成點云數(shù)據(jù)存儲在配套的存儲卡中[3]。三維激光掃描儀如圖 1 所示。

圖1 FARO 三維激光掃描儀Fig.1 FARO 3D laser scanner

1.2 現(xiàn)場掃描步驟

本次掃描以某鉬業(yè)公司的旋回破碎機(jī)為例進(jìn)行闡述。

1.2.1 設(shè)置標(biāo)靶球

標(biāo)靶球為 FARO 公司提供的白色球體，底部有磁座，可吸附在鋼件上，用于對分批次掃描的結(jié)果進(jìn)行空間點云數(shù)據(jù)的定位。要求每次掃描必須有 3 個以上標(biāo)靶球出現(xiàn)在掃描視野中[4]。

現(xiàn)場共使用了 10 個標(biāo)靶球，均勻吸附在旋回破碎機(jī)四周錨固的鋼板上，如圖 2 所示。

圖2 FARO 標(biāo)靶球分布Fig.2 Distribution of FARO target ball

1.2.2 設(shè)置掃描參數(shù)

掃描距離 ＞ 10 m，掃描垂直角度為 -60°～ 30°，掃描水平角度為 0°～ 120°，共對破碎機(jī) 5 個方位掃描5 次。

2 點云數(shù)據(jù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)拼接擬合

由于分 5 次從不同的方位對破碎機(jī)進(jìn)行掃描，需要將這 5 次點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接擬合，才能生成整個破碎機(jī)完整的三維點云數(shù)據(jù)。

使用 FARO 軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接擬合。首先將 5 次點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，然后設(shè)置擬合參數(shù)，經(jīng)過計算機(jī)運算后即可得到完整的點云數(shù)據(jù)，如圖 3所示。

圖3 拼接擬合后的完整點云數(shù)據(jù)Fig.3 Complete point cloud data after splicing and fitting

圖3 是完整的點云數(shù)據(jù)，但很多數(shù)據(jù)是不需要的，可裁剪去除，圖 4 是裁剪后的點云數(shù)據(jù)。

圖4 裁剪后的點云數(shù)據(jù)Fig.4 Cropped point cloud data

2.2 生成符合測量要求的點云數(shù)據(jù)

軟件生成的點云數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步處理，才能與三維實體模型 (襯板原始尺寸) 進(jìn)行比對，計算出磨損值，具體處理步驟為：設(shè)置采樣率，處理邊界，去除體外孤點，去除噪聲數(shù)據(jù)[5]。

掃描的目的是為了進(jìn)行襯板磨損值的測量，無關(guān)的點云數(shù)據(jù)可以去除。因為襯板是安裝在定錐、動錐上的，所以最終只需處理定錐、動錐及襯板的點云數(shù)據(jù)即可，如圖 5 所示。

圖5 襯板、定錐、動錐點云數(shù)據(jù)Fig.5 Point cloud data of liner,fixed cone and moving cone

3 襯板磨損測量

(1) 將定錐、動錐及襯板點云數(shù)據(jù)和三維實體模型 (襯板原始尺寸) 一起導(dǎo)入到點云數(shù)據(jù)處理軟件中。

(2) 在軟件中分別對點云數(shù)據(jù)和三維實體模型建立圓錐軸線、平面等定位特征。該軟件的使用方法類似于常見的三維軟件 (SolidWorks、Inventor 等)，可以方便地建立這些定位特征。

(3) 進(jìn)行點云數(shù)據(jù)和三維實體模型的擬合。將三維實體模型的圓錐軸線與點云數(shù)據(jù)的圓錐軸線重合，再將三維實體模型的平面與點云數(shù)據(jù)相對應(yīng)的平面重合，即可完成擬合，如圖 6 所示。

圖6 點云數(shù)據(jù)與三維實體模型的擬合Fig.6 Fitting of point cloud data and 3D solid model

(4) 使用 2D 截面進(jìn)行襯板磨損的位置選取，如圖7 所示。然后進(jìn)行磨損值的計算，如圖 8 所示。圖 8中實線輪廓是三維實體模型的輪廓線，點云數(shù)據(jù)區(qū)域在實線輪廓以內(nèi)，表示襯板已經(jīng)磨損，通過鼠標(biāo)選取位置，可以計算出準(zhǔn)確的磨損值，并生成報告。

圖7 位置選取的 2D 截面Fig.7 2D section of selected position

圖8 襯板磨損測量結(jié)果Fig.8 Measurement results of liner wear

由圖 8 可知，最大磨損值為 126.602 1 mm，定錐上的襯板磨損較為均勻，動錐上的襯板磨損不對稱。通過不同時間的數(shù)據(jù)采集，可以做出襯板磨損曲線，并根據(jù)曲線擬合出公式，進(jìn)而計算出需要更換襯板的時間。

4 結(jié)語

通過使用三維激光掃描儀采集點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可以準(zhǔn)確計算出旋回破碎機(jī)的襯板磨損值。這種方法不僅能夠避免在破碎機(jī)里用尺子進(jìn)行人工測量的危險性，實現(xiàn)了非接觸測量，并且通過多次、不同時間的點云數(shù)據(jù)的采集和分析，可以做出襯板磨損曲線，通過擬合這些曲線生成公式，即可計算出襯板需要更換的時間，可為礦企的備品備件計劃提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的參考應(yīng)用價值。