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摘要：本文阐述一种全新的几何缺陷检测技术，检测设备能高效和准确的检测并重构型钢构件中的几何缺陷。检测设备由一个装有双向激光传感器的旋转平台和直线运动平台组成。试件放置在旋转平台中，直线运动平台使之沿试件轴向进行扫描，旋转平台沿径向任意角度对试件进行扫描，通过校对试验由单个扫描配准成完整3D模型，可快速获取和处理包含不同缺陷量的变量，从而提供一套完整的缺陷信息，能有效保证冷弯型钢结构的正确分析和设计。
关键词：非接触检测；几何缺陷；钢结构
1 轻钢结构几何缺陷检测的现存问题
结构设计中对结构和构件的强度要求必须有安全可靠的评价，但轻钢结构设计一般采用理想几何尺寸，即认为每个构件都平直且完全符合生产尺寸。这种传统的设计已经被证明是错误的[1，2]，结构工程设计试图采用多种设计途径来处理这一现实问题，并通过多种方法来测量实际结构或构件分别与它们原假定形式和形状的偏差程度。冷弯型钢结构由钢板拼装，其构件形状由平板冷弯加工形成，承载后的轻型钢结构（如图1）包括整体结构、墙体、屋顶系统或储物架等，其构件是由厚度小于2mm的钢板冷弯而成（如图2），尤其易于产生几何缺陷，对此需要特殊的设计方法。然而，对构件几何缺陷没有详细和准确的了解，则无法判断构件和结构的实际偏差，故结构设计必须考虑几何缺陷的影响。
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对冷弯型钢构件的几何缺陷的研究进行系统整理始于1998年[3]，当时的检测通常只针对稀疏几个点，采用直尺、千分表、钳、或偶尔经纬仪等进行简单的直线量度以收集数据。比如Young [4]利用单点激光检测试件的轴向缺陷。后来发展为采用装有传感器的直线运动平台对特定缺陷（整体弯曲和扭曲）进行研究[5，6]。传统的缺陷检测法采用单点接触检测无法有效的收集完整横截面信息，比如，横截面的尖角，传统方法难以判断其类型。此外，目前的单点接触或非接触式方法非常耗时，导致现有缺陷的数据收集相对较少，这阻碍了缺陷的概率评估及其对构件强度的影响评价。高精度的缺陷检测法不仅要求能捕抓完整的几何缺陷信息还必须高效率，以便能在工程建设中进行质量控制。鉴于上述因素，学界兴起了对冷弯型钢构件全维度非接触式检测的研究。在冷弯型钢全维度缺陷检测中有两种研究：摄相检测和激光检测。摄相检测较为灵活，但精度方面难以保证，因此本文采用激光几何缺陷检测。激光几何缺陷检测的关键是在构件上控制和运行检测装置，并最终获取数据并重构几何模型。本文介绍了激光几何缺陷检测设备的设计和操作，包括设备总体设计、平台系统操作、系统校对和在全局坐标系中的配准，并通过实例加以验证其效果。
2 新型激光检测技术的设计原理
激光几何缺陷检测的目标是对冷弯型钢构件几何缺陷进行高效和高精度的检测，为了获得足够的效率和精度，选取了基于激光的非接触式检测系统。为了提高检测系统的适应性，在一个可动平台上安装了激光传感器，可沿试件轴向移动。试件检测最大尺寸为径向250mm，轴向3m，该检测范围能满足冷弯型钢结构中各类墙和楼板的型钢构件尺寸。几何缺陷检测系统如图3所示，整套系统包括激光传感器、旋转平台、三角支撑架和直线运动平台。
激光扫描器是一个二维线性激光传感器，每读能产生800点，覆盖宽度高达240mm。该扫描器安装在直径为635mm的旋转平台上，使之能扫描试件的不同部分，比如冷弯型钢的圆角半径等。旋转平台安装在一个支撑架上，支撑架具有足够的重量和宽度以运载旋转平台，并保证不发生倾倒；而且对直线导轨尽可能不产生影响。试件放置在支撑梁上，并尽量减少重力荷载作用下的变形。直线运动平台沿轴向驱动支撑架并定位激光传感器。通过从多个角度扫描试件并将单个扫描记录配准集合在一个全局坐标系中，可以实现目标试件的全维度几何信息重构。
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（a）激光头；（b）旋转环；（c）支撑架；（d）直线导轨
图3 激光几何缺陷检测系统
3 工程实例验证---Z型冷弯薄壁型钢檩条扫描
Z型冷弯型钢常用于轻钢结构的屋顶和墙壁，现以Z型冷弯型钢试件为例，对其进行检测。试件通过磁力安装到检测平台的支撑梁上，如图4（a）所示。轴向扫描角度分别在0°，−80°和100°进行，结果如图4（b）-（d）。试件长约250mm，编码器2#触发的激光沿轴向对试件进行扫描，三个角度扫描的轴向读数间距均为3.11mm。根据激光头的初始位置，可得局部X轴坐标数据，局部Z轴坐标数据直接通过激光测得。局部坐标信息被显式地转移到全局坐标，当所有数据合并成一个共同的坐标系统，即可重构出三维模型（如图5所示），重构图像是根据从平面上引用的平均直线和水平表面位置的偏差进行着色的，使之可以观察到断面扭曲和面内的波纹，从而可对几何尺寸及其它属性缺陷进行附加后处理。此外，这些几何信息可在有限元模拟形成模型，或供其它分析使用。
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图4 -Z型冷弯型钢扫描结果
图5 三维扫描重构模型
4 结语
本文阐述一种全新的轻钢结构几何缺陷检测技术，检测设备由一个旋转式的双向激光传感器平台和直线运动平台组成，该检测平台能高效和准确的检测并重构冷弯型钢构件中的几何缺陷。通过激光扫描器从多个角度扫描试件并将单个扫描记录配准集合在一个全局坐标系中，可以实现目标试件的全维度几何重构。最后以Z型冷弯薄壁型钢檩条为例，验证了该检测技术的可靠性和高效性。云图数据可供对尺寸、平面缺陷等进一步分析，也可在有限元模拟形成几何模型。
参考文献：
[1] 相阳，罗永峰，郭小农，沈祖炎. 冷弯薄壁型钢檩条支座缺陷加固构造[A]. 天津大学.第十三届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津大学：，2013：5.
[2] 夏梦涛，方闰杰，薛锦岑，赵成普. 高强冷弯薄壁型钢研究进展综述[A].《工业建筑》2018年全国学术年会论文集（上册）[C].工业建筑杂志社，2018：5.
[3] 陈龙. 薄壁型钢几何缺陷测量系统研制及试验研究[D].南京理工大学，2013.
[4] Young B，Rasmussen KJR（2003）Measurement techniques in the testing of thin-walled structural members. Exp Mech 43（1）：32–38
[5] 李子轩，束学道，郭德林，宋施杓.薄壁C型钢模剪断面的微观形貌及缺陷分析[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（08）：1395-1399.
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