论文总字数：31563字

摘 要

船舶制造业是我国战略性装备制造业的重要部分，海洋工程装备和高技术船舶是国家十大重点发展领域之一，传统船坞建造过程繁琐、效率低下，达不到快速造船、精益造船的需求，3D混凝土打印等数字化智能建造技术是船舶建造企业重要的研发方向，具有广阔的发展前景。随着计算机技术、数控技术、材料成型技术的不断发展，大量新兴技术手段被引入建筑行业，以建筑3D打印技术为代表的智能建造技术成为了建筑领域数字化发展的趋势，也被视作推动建筑产业转型升级的重要动力。

由于3D混凝土打印过程中尺寸控制的不精确和材料的过量沉积会影响构件表面质量，因此，在打印过程中及加工成形后，需要有相应的检测方法来对构件打印质量进行量化分析。为解决上述问题，开发了一种基于机器视觉的几何误差评价程序，用于检测3D混凝土打印构件的轮廓误差，并将理想几何模型与实物对比显示，根据几何误差检测结果进行参数反馈调节，实现机器人打印自校正、自优化和打印工艺参数的在线修正。

关键词：3D混凝土打印；几何误差评价；机器视觉

Abstract

The shipbuilding industry is an important part of China's strategic equipment manufacturing industry. Marine engineering equipment and high-tech ships are one of the ten key development areas of our country. The traditional dock construction process is tedious and inefficient. Can not meet the needs of rapid shipbuilding and lean shipbuilding. 3D concrete printing and other digital intelligent construction technology is an important research and development direction of shipbuilding enterprises, which has a broad development prospect. With the continuous development of computer technology, numerical control technology and material molding technology, a large number of new technologies have been introduced into the construction industry. Intelligent construction technology, represented by building 3D printing technology, has become the trend of digital development in the construction field. It is also regarded as an important driving force to promote the transformation and upgrading of the construction industry.

Because the imprecision of size control and excessive deposition of materials in the printing process of 3D concrete will affect the surface quality of components, therefore, in the printing process and after forming, it is necessary to have corresponding testing methods to quantitatively analyze the printing quality of the components. In order to solve the above problems, a geometric error evaluation program based on machine vision is developed to detect the contour error of 3D concrete printing components, and the ideal geometric model is compared with the real object. According to the geometric error detection results, the parameter feedback adjustment is carried out to realize the robot printing self-tuning, self-optimization and on-line correction of printing process parameters.

Key Words：3D concrete printing; geometric error evaluation; machine visio

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1 3D混凝土打印技术 2

1.2.2 几何误差评价技术 7

1.2.3 现存主要问题及研究意义 8

1.3本文主要研究内容 9

第2章 3D混凝土打印误差形成机理分析 10

2.1表面质量问题分析 10

2.2几何质量问题分析 10

2.3常见几何形态误差现象分析 11

第3章 基于最小区域法的几何误差评价模型构建 14

3.1几何误差评价方法概述 14

3.2最小区域的构建及基准坐标系的建立 15

3.3几何误差评价机制设计 17

3.3.1 直线度的误差评价 18

3.3.2 平面度的误差评价 18

3.3.3 圆度的误差评价 19

3.3.4 圆柱度的误差评价 19

3.3.5 复杂曲面区域的形状误差评价 20

3.4实例分析及实验验证 20

第4章 基于OpenCV的3D混凝土打印构件误差检测系统设计 23

4.1系统概述 23

4.2标定与匹配 23

4.3算法设计 24

4.3.1 中值滤波 24

4.3.2 Canny边缘检测 24

4.3.3 Hough圆、直线检测 25

4.3.4 图像二值化 25

4.3.5 轮廓提取 26

4.3.6 形状拟合 26

4.4实际性能验证 27

4.4.1 3D混凝土打印设备概述 27

4.4.2 被检测构件选用及结果分析 28

第5章 总结与展望 31

5.1全文总结 31

5.2展望 31

参考文献 33

附录 34

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着工业技术的蓬勃发展，船舶建造技术水平也不断提升，船舶工业作为航运业、海洋开发领域的综合性产业，已经成为产业结构的重要环节。国务院印发的《中国制造2025》中明确了海洋工程设备与船舶工业是我国首要发展的制造领域，我国船舶工业作为战略性装备制造业的代表行业，现已形成了较强的国际竞争力。当前国家大力研发推广的数字化造船是应用先进加工制造技术、结合智能制造理念进行高效精准施工作业的船舶建造流程。船舶设计建造的过程中，船坞建造是重要环节，传统的船坞建造技术使用二维平面搭载坐标系，通过拉激光经纬仪及大尺测量高度、吊线测量半宽及平齐度，操作过程繁琐、效率低下、搭载精度不高且不安全，达不到快速造船、精益造船的要求^[1]。随着建造水平的发展与智能化建造技术的进步，传统的船坞建造由二维手工测绘、建造，提升到智能化的测量、自动化建造，流程化增材制造方案、3D混凝土打印预制件等技术，也有效避免了船坞建造过程中工作效率低下、耗时长的问题，是当前科研团队和船舶企业研发的重要方向，具有广阔的发展前景。

在目前的工业生产界，“工业4.0”模式的未来发展获得了极高的关注度，即生产技术的网络化、“智能加工”和“人机合作”，而建筑业的智能化发展与其他行业相比较为缓慢，虽然当前以功能强大的设计、计算、施工和仿真软件为载体的智能建造技术正迅速发展，从设计到制造的过程中都发生了数字化变革，但仍处于探索创新阶段，实际落地工程数量较少。目前学术界和施工实践中正在探索的方法之一就是应用特种混凝土材料的增材制造技术，这一系列创新制造方法正在不断开发和改进^[2]。

21世纪以来，建筑建造施工阶段的自动化水平不断提升，例如先进的预制件加工和建材构件自动化拼装作业。近些年，随着3D打印技术的引入，智能建造已经成为建筑领域数字化发展的重要趋势，研究人员和建筑从业者已经开始探索用于建筑业的3D混凝土打印技术^[3]。许多传统建筑材料可以利用各种3D打印方法进行加工制造，成为智能化建造的重要加工方式，从制造基础构件，再到完整的建筑，整体流程实现标准化和智能化^[4]。虽然陶瓷、钢铁、聚合物、泡沫、玻璃和混凝土等特殊材料3D打印技术仍处于技术发展的不同阶段，但它们在建筑设计优化和特殊化构件定制方面的优势和发展潜力正变得越来越明显^[5]。

混凝土是世界上使用最多的建筑材料，生产混凝土的原材料价格低廉且易获取。混凝土建筑构件坚固抗压、经久耐用、耐火且流体凝固加工的特点，使其几乎可以应用于任何形状的建筑构件制造。传统建筑用混凝土由沙和其他颗粒材料组成，利用胶凝材料和水之间的放热水化反应形成的基质结合在一起，目前也广泛应用添加剂、外加剂和胶凝材料来实现特定的性能，如自压实、高强度、延展性和加工过程低碳排放等。目前的传统结构钢筋混凝土构件或预应力混凝土的制造方式较为单一，通常是在预制的模具中铸造，在铸造之前在其中放置钢筋。这种方法既适用于施工现场加工，也适用于非现场的工厂生产，以获取更高的加工精度和混凝土质量。无论哪种方式，无论是模具还是钢筋的定位，加工过程中都需要大量的人力投入，且模具材料并不总是可以重复使用，造成了一定程度的材料浪费，未来建筑建造的功能需求和发展趋势是绿色环保的新型混凝土建造技术。

3D混凝土打印的工作原理是将预先调配好的混凝土材料进行混合与搅拌,将要制造的工件模型利用计算机软件进行建模和打印路径规划，随后按打印路径行进喷嘴，运动过程中将混凝土材料喷挤到预定位置，混凝土材料凝固后即形成目标形状的构件。3D混凝土打印技术在加工的过程中,无需像传统混凝土加工成型工序一样制作模具进行支撑，有效提升了加工效率,是一种具有优异加工能力的混凝土成型技术^[6]。3D混凝土打印的主要优点是仅需最少的劳动力就可以实现快速加工，且无需模具，最重要的是，3D打印设备增加了设计复杂几何形状的自由度。通过3D混凝土打印技术可以实现建筑预制件的大规模定制生产，因为它不要求建筑物的每个结构件在制造速度或成本方面都是相同的。此外，由于3D混凝土打印只在需要成形的地方打印，利用增材制造原理的3D打印理念与传统建造的减法结构相反，可以显著减少材料浪费。此外，3D混凝土打印可以高效地制造具有创新性的异形设计，并解决传统施工中复杂结构的一些工艺困难。

1.2国内外研究现状

1.2.1 3D混凝土打印技术

3D打印技术是一种出现于二十世纪末的新型制造技术，因其与传统减材加工工艺（通过不断机械加工减少材料的过程获得目标形状）的巨大改变，根据加工原理又被称作“增材制造”技术，这项技术在20世纪90年代后期随着激光技术、新材料领域技术和自动化技术的不断进步，得到了快速的发展。美国学者Joseph Pegna最初提出了建筑3D打印的概念，其研究思路是在加工过程中把待加工构件分成多个薄层，再利用特殊工具将混凝土材料按照一定路径进行铺灌，最后通过混凝土成形而获得目标形状混凝土建筑构件的建造方法。

英国的研究学者Lim等人在2008年提出了建筑3D打印技术，即为现在的“混凝土打印(Concrete Printing)”，该方案也是基于混凝土材料喷挤堆积后凝固成型的加工工艺^[7]，其工艺流程及所使用设备如图所示。

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