基于Ge o m a g ic Qu a lify軟件的客車夾具偏差檢測技術

濮林，華亞俊，楊斌（揚州江淮宏運客車有限公司，江蘇揚州225200）

基于Ge o m a g ic Qu a lify軟件的客車夾具偏差檢測技術

濮林，華亞俊，楊斌
（揚州江淮宏運客車有限公司，江蘇揚州225200）

通過對某款客車地板附件夾具進行兩次三維數(shù)據(jù)的采集，應用Geomagic Qualify軟件，把兩次采集的數(shù)據(jù)進行對齊、3D比較、2D測量，得出偏差位置和偏差量，為后續(xù)夾具修整提供依據(jù)。

客車夾具；偏差檢測；Geomagic Qualify軟件

現(xiàn)代客車生產(chǎn)過程中，為達到客車的制造精度，已經(jīng)廣泛采用各類焊裝夾具，而夾具的檢測仍然采用傳統(tǒng)的手工測量方式，如卷尺、剛尺、靠尺、塊規(guī)等，工作效率不高，檢測精度一般[1]。因此，如何有效檢測夾具，保持夾具的焊接可靠性是保證客車整車精度的必要前提。

本文通過采用Handyscan手持式自定位三維掃描儀，發(fā)射15條激光線來采集某款客車地板附件夾具表面的三維數(shù)據(jù)，利用掃描軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到較完整的三維數(shù)據(jù)模型，最后應用Geomagic Qualify軟件將測量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)進行最佳擬合對齊及3D、2D比對分析，快速有效地得出夾具偏差位置和偏差量，為后期夾具修整工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 三維掃描技術

三維掃描技術根據(jù)測量結果的不同方式，可以分為接觸式測量和非接觸式測量。其中，接觸式測量通過測頭與模型表面接觸實現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的獲取；非接觸式測量是以光電、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。非接觸式測量以計算機圖像處理為主要手段，如激光三角法、結構光法、CT掃描等。

手持式激光掃描儀是基于三角測距法原理對實物表面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，該方法數(shù)據(jù)采集速度快且是目前應用最廣泛的非接觸式測量。手持式激光掃描儀的操作步驟包括：貼標記點、掃描實體、獲得數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)、輸出點云[2-3]。本文采用非接觸式的Handyscan三維測量系統(tǒng)對某款客車地板附件工裝夾具進行掃描。

1.2 Handyscan的原理與測量

Handyscan手持式自定位三維掃描儀系統(tǒng)主要由掃描儀、電源系統(tǒng)和計算機軟件輔助系統(tǒng)三部分組成，包括：手持式掃描頭、電源適配器、數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)線、精度校準板、工作站、VXElement掃描軟件、定位標點等。其中的關鍵設備是掃描頭，掃描頭的相機部分可用于查看點和接受激光，其中的8個LED發(fā)光點可屏蔽外界的干擾。掃描頭是系統(tǒng)輸入的開始，相機部分負責拍攝工件照片，并將其送入到工作站，通過掃描軟件進行圖像處理和被測點的空間坐標的計算。

Handyscan測量系統(tǒng)的測量過程（見圖1）是通過相機追蹤工件上的標志點來進行的，掃描時2個相機需垂直于所掃標志點或板面進行工作。十字激光發(fā)射口會發(fā)射多道交叉的紅色十字II級激光，手持掃描儀進行掃描時，不要擋到激光發(fā)射口，保證掃描指示燈呈綠色為宜。在進行測量時，只要相機能夠追蹤到3個以上的標記點，系統(tǒng)就可以立刻解算出標志點的三維坐標，實時性非常高，實現(xiàn)了即時追蹤和測量[4]。

圖1 Handyscan三維掃描儀的測量應用

為有效地獲得客車焊接夾具的使用變形情況，本文針對某款客車地板附件工裝進行了兩次三維掃描和數(shù)據(jù)采集，時間分別是2016年7月和2017年1月。為縮短數(shù)據(jù)采集的時間及減少數(shù)據(jù)量，只針對夾具的有效工作范圍（夾具部分）進行了采集。數(shù)據(jù)采集所使用的設備和軟件分別是Creaform公司的Handyscan700三維掃描儀和VXelements掃描軟件，輸出數(shù)據(jù)格式為STL。

2 Geomagic Qualify軟件應用

2.1 Geomagic Qualify系統(tǒng)介紹

Geomagic Qualify是一款可加快流程速度、而且可以進行深入分析并確保可重復性的自動檢測軟件，它建立了CAD和CAM之間所缺乏的重要聯(lián)系紐帶，從而實現(xiàn)了完全數(shù)字化的制造環(huán)境。允許在CAD模型與實際構造部件之間進行快速、明了的圖形比較。Geomagic Qualify可用于首件檢驗、線上檢驗或車間檢驗、趨勢分析、2D和3D幾何測量以及自動報告等。其檢測的一般流程為：首先，獲取參考模型和測試模型；然后，將測試模型與參考模型進行對齊比較；最后，對比較結果進行分析并得出報告[5-7]。

在本文中，首次嘗試將其應用于客車焊接夾具的前后使用變化的數(shù)據(jù)檢測，將其中第一次掃描數(shù)據(jù)作為參考模型，第二次掃描數(shù)據(jù)作為測試模型。

2.2 掃描數(shù)據(jù)的優(yōu)化

因為兩次掃描的數(shù)據(jù)模型有很多雜點，所以在進行比對分析前需對參考模型和測試模型進行分析并優(yōu)化，主要通過系統(tǒng)中多邊形菜單下的網(wǎng)格醫(yī)生、松弛、減少釘狀物等命令來進行優(yōu)化（見圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化

2.3 數(shù)據(jù)模型的對齊

Geomagic Qualify的對齊方式主要有N點對齊和最佳擬合對齊。N點對齊是基于特征對齊的一種，它指的是用戶通過定義圓柱、槽、孔、面和邊定義的平面、軸和點等整車特征，然后匹配或配對這些基準和特征執(zhí)行對齊，較適合規(guī)則形狀的模型，但此種對齊方式產(chǎn)生的夾具偏差比較大。最佳擬合對齊不要求用戶定義特征，軟件在兩個對象間自動最佳擬合對齊，較適合于不規(guī)則的模型，此種對齊方式夾具的綜合偏差最小，其原理是系統(tǒng)后臺自動分析計算綜合最小偏差得出的對齊結果。

因為模型在掃描時，其空間坐標是隨機的，所以導入到Geomagic Qualify軟件中位置比較混亂，因此兩個模型之間的偏差分析必須要進行預對齊后方可進行。本文中兩者之間的預對齊采用N點（3點）對齊方式，把兩者空間位置調(diào)整得基本重合。如果不先預對齊，最佳擬合對齊時間較長。在預對齊后再利用最佳擬合對齊方式進行精準對齊，時間很短。

2.4 對齊效果3D分析

對最佳擬合對齊后的效果進行3D分析，通過實際需求設置最大，最小臨界值和最大、最小名義值后即可得出3D比較結果及偏差色譜圖（本次測試臨界值設置為± 1 mm，名義值設置為±10 mm），它整體呈現(xiàn)了測試模型相對于參考模型的偏差值，紅色代表正偏差，藍色代表負偏差，綠色代表偏差值在設置的臨界值內(nèi)（見圖3）。

圖3 3D比較偏差色譜圖

通過3D分析可以整體直觀地看出兩次夾具數(shù)據(jù)模型之間的偏差。然后通過對焊接夾具上的各個定位點和定位面進行偏差注釋，可以快速、精確地得到各個點、面的偏差值，再結合設置的臨界偏置值自動判斷出點面的通過情況（圖4下表格數(shù)據(jù)顯示為每個位置點測試模型對比參考模型的偏差值是否在之前設置好的臨界值范圍內(nèi)（±1 mm）的通過情況，在臨界值范圍內(nèi)狀態(tài)顯示通過，不在范圍內(nèi)顯示失敗），以此得出焊接夾具前后使用過程中的變形點和變形量（圖4中紅橙色與藍色區(qū)域為通過失敗區(qū)域，綠色為通過區(qū)域）。

圖4 3D比較偏差注釋圖

2.5 對齊效果2D比較

通過對齊效果3D分析中的偏差色譜圖（前后兩次夾具的變形情況，綠色表示合理范圍，非綠色表示超出設置臨界偏差值范圍即不合理范圍），可以很直觀的發(fā)現(xiàn)焊接夾具的變形點（圖5～圖7中的非綠色區(qū)域），此地板附件夾具的主要變形點集中在中間定位塊處（圖5～圖7中的紅橙色區(qū)域），此時再通過2D比較命令對變形位置區(qū)域利用直線進行橫截面剖切（圖5剖切線），得出變形位置處的2D曲線（一條為參考模型的，一條為測試模型的），同時對變形點進行判斷和注釋，得出變形點的最大偏差數(shù)據(jù)（圖6下表格中可以看出變形點距離偏差的最大值為+6.862 2 mm）。

圖5 3D比較偏差色譜圖（俯視圖+剖切線）

圖6 2D曲線偏差注釋圖（距離偏差）

圖7 截面2D曲線圖

接著對最佳擬合對齊后的對齊模型利用貫穿對象截面命令，可以得出截面處的2D曲線圖（圖7），接著對2D曲線圖中的變形點的偏差角度進行測量，得出兩次定位塊角度偏差，同時根據(jù)實際要求設置上下限參數(shù)，得出各點的通過情況（圖8下表格中可以看出角度偏差的最大值為+11.312 7°）。同理可以得出其他非綠色通過區(qū)域（即變形區(qū)域）的偏差值。

圖8 2D曲線測量注釋圖（角度偏差）

通過本次3D分析與2D比較可以得出：夾具使用中的主要變形處集中在中間定位塊處；中間定位塊的最大偏差值分別為+6.862 2 mm（距離偏差）和+11.312 7°（角度偏差）。

最后，對上述各步驟的對比分析結果可自動生成報告文件，文件格式包括PDF，WORD，HTML，EXCELE等多種格式，以便部門之間數(shù)據(jù)共享，其明顯的特點是PDF格式的報告文件可以進行3D瀏覽，給會議演示提供了便利。報告文件格式可以根據(jù)企業(yè)的特點進行編輯，使之符合企業(yè)標準化要求[8]。

3 結束語

目前客車企業(yè)中三維掃描儀和Geomagic Qualify系統(tǒng)還未被廣泛應用，但客車生產(chǎn)逐漸乘用車化是大趨勢，在此轉變過程中客車急需通過整車精度的提升來實現(xiàn)零部件的標準化和裝配的精細化，而整車精度的提升化必然要通過焊接夾具來保證[9-10]。本文通過應用三維掃描儀和Geomagic Qualify檢測軟件對客車焊接夾具進行了數(shù)據(jù)采集和對比分析，結果表明在現(xiàn)代客車企業(yè)生產(chǎn)過程中應用上述方法可以替代傳統(tǒng)測量手段快速、有效的得出焊接夾具的變形位置和變形量，為后期夾具修整提供參考。

[1]中國公路學會客車分會，江蘇省交通科學研究院.客車制造工藝技術[M].2版.北京：人民交通出版社，2008.

[2]李麗娟，高姍，林雪竹.基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測技術[J].制造業(yè)制動化，2014（10）：35-38.

[3]徐龍，王柱，劉愛明，等.基于激光掃描的逆向工程在檢驗檢測中的應用[J].制造業(yè)制動化，2014（22）：36-37.

[4]ichti D，Harvey B.The effects of reflecting surface material properties on time-of-flight laser scanner measurements[C] //Symposium on Geospatial Theory，Processing and Applications，Ottawa，2002.

[5]成思源，楊雪榮.Geomagic Qualify三維檢測技術及應用[M].北京：清華大學出社，2012.

[6]上海杰魔公司GEOMAGICQULIFY培訓手冊[M].上海：2013. [7]鄒付群，成思源，李蘇洋，等.基于Geomagic Qualify軟件的沖壓件回彈檢測[J].機械設計與研究，2010，26（2）：79-81.

[8]陳博，李秀梅.基于CATIA V5和Geomagic Qualify的汽車零部件質(zhì)量快速檢測[J].北京汽車，2011（5）：40-43.

[9]李瑩，曹小龍.基于市場分析的我國客車行業(yè)發(fā)展趨勢預測[J].河北交通職業(yè)技術學院學報，2015（2）：52-54.

[10]徐向華.我國微型客車市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].汽車工業(yè)研究，2009（10）：11-17.

修改稿日期：2017-05-31

Detection Technology of Bus Fixture Deviation Based on Geomagic Qualify Software

Pu Lin,Hua Yajun,Yang Bing
（Yangzhou JianghuaiHongyun Bus Co.,Ltd,Yangzhou 225200,China）

By the two times collection of3Ddata ofa bus flooraccessories fixture,the authors use Geomagic Qualify software to align the two times collected data,make 3D comparison and 2D measurement.Finally,they obtain the deviation position and the deviation amount,which can be used as the basis ofthe fixture finishing.

bus fixture;deviation detection;Geomagic Qualify software

U469.1

B

1006-3331（2017）04-0059-04

濮林（1988-），男，碩士；主要從事工藝技術方面的研究工作。