汽車底盤硬點(diǎn)測量&掃描技術(shù)的應(yīng)用

梁建國，石超，梁志桐

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汽車底盤硬點(diǎn)測量&掃描技術(shù)的應(yīng)用

梁建國，石超，梁志桐

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

在整車研發(fā)過程中，底盤性能研發(fā)對產(chǎn)品開發(fā)周期有著重大影響，而底盤性能取決于底盤硬點(diǎn)的精度。文章主要論述底盤硬點(diǎn)的驗(yàn)證，運(yùn)用測量技術(shù)和點(diǎn)云掃描相結(jié)合，為縮短汽車底盤開發(fā)周期提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。

底盤硬點(diǎn)；矩陣；測量技術(shù)；掃描

前言

我國汽車工業(yè)正在高速發(fā)展，市場競爭日趨激烈，更新?lián)Q代的腳步不停在加快，對產(chǎn)品的開發(fā)也提出了更新、更高的要求。為滿足市場需求，企業(yè)必須在有效的產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)開發(fā)更多、更舒適的、性能更優(yōu)越的新車型，而底盤研發(fā)作為產(chǎn)品開發(fā)中的重要一環(huán)，底盤性能試驗(yàn)工作順利有效地開展，可以大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

汽車底盤硬點(diǎn)（硬點(diǎn)就是重要的安裝點(diǎn)等）是底盤工程總布置設(shè)計(jì)過程中，為保證零部件之間的協(xié)調(diào)和裝配關(guān)系，及造型風(fēng)格要求所確定的控制點(diǎn)（或坐標(biāo)），對汽車的駕馭性能有著重要影響。底盤硬點(diǎn)測量范圍較大、測量空間狹窄和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)的采用便攜式測量臂（CMM測量精度高、硬件柔性好）進(jìn)行測量，始終有部分硬點(diǎn)無法顧及，無法保證硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性。而應(yīng)用測量技術(shù)&點(diǎn)云掃描的結(jié)合，既可以保證測量數(shù)據(jù)精度又增加了硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性，為汽車底盤開發(fā)提供完整可靠的數(shù)據(jù)支撐，提高產(chǎn)品開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

1 硬點(diǎn)測量流程

底盤硬點(diǎn)測量是獲取特定車身設(shè)計(jì)狀態(tài)下底盤硬點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然而汽車底盤在不同狀態(tài)下底盤硬點(diǎn)的空間位置有很大的變化。因此，測量的車身姿態(tài)和設(shè)計(jì)姿態(tài)不一致會(huì)導(dǎo)致硬點(diǎn)位置發(fā)生變化，測量前必需將底盤硬點(diǎn)的測量姿態(tài)盡可能調(diào)整與設(shè)計(jì)姿態(tài)一致，以保證硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測量狀態(tài)達(dá)到要求后，選取底盤關(guān)鍵RPS（基準(zhǔn)參考系統(tǒng)）基準(zhǔn)特征擬合整車坐標(biāo)系，將分區(qū)域測量&掃描的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到整車坐標(biāo)系下，從而獲取到完整的底盤硬點(diǎn)數(shù)據(jù)。測量流程如圖1所示。

圖1 測量流程

2 測量的難點(diǎn)與解決方案

在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榈妆P測量范圍較大、空間狹窄以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，常規(guī)的方法是使用柔性好的便攜式測量臂進(jìn)行測量，但始終無法保證硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性，已成為行業(yè)內(nèi)的痛點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)的部分缺失，底盤設(shè)計(jì)無法得到有效的驗(yàn)證，造成工作反反復(fù)復(fù)，效率低下；更有甚者，底盤多輪反復(fù)測量得不到有效的驗(yàn)證，對整車的開發(fā)周期造成延期的影響。

為解決上述的痛點(diǎn)，我們通過實(shí)踐形成以下測量方案：①將底盤RPS基準(zhǔn)運(yùn)用“矩陣擴(kuò)展法”進(jìn)行擴(kuò)展；②在基準(zhǔn)擴(kuò)展的基礎(chǔ)上采用分區(qū)域點(diǎn)云掃描進(jìn)行底盤硬點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。這樣測量技術(shù)與點(diǎn)云掃描的結(jié)合應(yīng)用，既可以保證測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠又使底盤硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性得到最大提高。

3 矩陣原理引入

在整車制造過程中，底盤上有一些關(guān)鍵的RPS基準(zhǔn)孔，一般情況下，這些孔位等特征元素之間都會(huì)存在1mm左右的偏差。如果使用常規(guī)的局部測量方法（分別使用不同RPS基準(zhǔn)孔建立坐標(biāo)系），基準(zhǔn)偏差較大，坐標(biāo)不統(tǒng)一，導(dǎo)致測量誤差累積，無法達(dá)到硬點(diǎn)設(shè)計(jì)的精度要求。而采用矩陣線性變換的原理，同一組基準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，保持基準(zhǔn)統(tǒng)一，測量的精度可以達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

在數(shù)學(xué)中，矩陣（Matrix）是一個(gè)按照長方陣列排列的復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)集合，最早來自于方程組的系數(shù)及常數(shù)所構(gòu)成的方陣。

由m×n個(gè)數(shù)aij排成的m行n列的數(shù)表稱為m行n列的矩陣，簡稱m×n矩陣。記作：

其中m×n個(gè)數(shù)統(tǒng)稱為矩陣A的元素，簡稱為元，數(shù)字aij居于矩陣A的第i行 第j列位置，稱為矩陣A的(i，j)元，以數(shù) aij為(i，j)元的矩陣可記為(aij)或(aij)m× n，m×n矩陣A也記作Amn。

矩陣其中一個(gè)用途是線性變換，就是在一個(gè)矩陣基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，從而形成一個(gè)新的矩陣，獲得新矩陣中的元。

在底盤縱梁上有四個(gè)對稱關(guān)鍵RPS基準(zhǔn)孔位，它們是在整車坐標(biāo)系下包含（x、y、z）值的一組數(shù)據(jù)，設(shè)為R1、R2、R3、R4，即R=f(x、y、z)，這四個(gè)關(guān)鍵RPS基準(zhǔn)孔可以視為一個(gè)2×2的四元矩陣，即為：

根據(jù)矩陣變換的性質(zhì)，可以將四元矩陣進(jìn)行線性擴(kuò)展，擴(kuò)展為所需要的多元矩陣。如2×6的12元矩陣、4×4的16元矩陣、4×6的24元矩陣等，下面為2×6的12元矩陣圖：

4 實(shí)際案例

首先，將汽車移動(dòng)到剪式舉升機(jī)平臺(tái)上，模擬實(shí)際情況下汽車的載荷情況，采用添加鉛塊的方式施加配重，并通過四輪定位及相關(guān)基準(zhǔn)特征來檢驗(yàn)汽車實(shí)際車身狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)的偏差并調(diào)整，達(dá)到測量狀態(tài)要求。

將車輛升起合適高度，測量設(shè)備放置在底盤中部，在底盤中部選取4個(gè)關(guān)鍵RPS基準(zhǔn)孔（如圖3），使用測量設(shè)備依次測量孔位實(shí)際坐標(biāo)值，與原型車相對應(yīng)的理論坐標(biāo)值進(jìn)行最佳擬合，建立坐標(biāo)系。

圖3 建立整車坐標(biāo)系

在汽車前、后懸架硬點(diǎn)周邊粘貼標(biāo)準(zhǔn)鋼球（矩陣球），每個(gè)測量部位至少粘貼3個(gè)矩陣球（4個(gè)最佳），以基準(zhǔn)選擇最大化原則進(jìn)行布置（范圍覆蓋前懸或后懸硬點(diǎn)）。直接用測量設(shè)備在當(dāng)前坐標(biāo)系下分別測量每個(gè)矩陣球的中心坐標(biāo)值，所得矩陣球中心坐標(biāo)值為原車4個(gè)關(guān)鍵RPS基準(zhǔn)點(diǎn)的矩陣擴(kuò)展，記為R5、R6、R7……，符合坐標(biāo)函數(shù)f(x、y、z)的線性變換原則，即添加的矩陣球?yàn)樵嚲仃嚲€性變換新增的元，新增的矩陣球和原車的RPS基準(zhǔn)孔坐標(biāo)統(tǒng)一、精準(zhǔn)可靠，克服了前、后懸架硬點(diǎn)測量時(shí)的基準(zhǔn)偏差，測量精度只取決于設(shè)備精度（≤0.06mm）。

分別將測量設(shè)備移動(dòng)到前懸或后懸的硬點(diǎn)測量區(qū)域（如圖4），直接測量RPS矩陣球的坐標(biāo)值，與原車擴(kuò)展的相對應(yīng)的矩陣球?qū)崪y值作為理論值進(jìn)行最佳擬合，建立局部坐標(biāo)系（與整車坐標(biāo)系一致）。然后在此坐標(biāo)系下進(jìn)行底盤硬點(diǎn)測量，獲取測量數(shù)據(jù)。

圖4 硬點(diǎn)測量區(qū)域

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

設(shè)備都會(huì)有一定的量程范圍，激光掃描設(shè)備（Creaform三維數(shù)據(jù)掃描儀等）也不例外。當(dāng)掃描尺寸較大工件時(shí)，設(shè)備量程不足導(dǎo)致工作無法一次性完成，則需要進(jìn)行分塊掃描，比如車身外表面及結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的某些表面，這樣就需要設(shè)備在不同的角度上多次掃描，由此得到的點(diǎn)云會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度下降。而引入矩陣方法，利用矩陣線性變換原理，分塊點(diǎn)云掃描，再與矩陣球擬合統(tǒng)一坐標(biāo)系，可減小點(diǎn)云拼接帶來的誤差，提高點(diǎn)云精度。

將掃描設(shè)備移動(dòng)到前、后懸架區(qū)域，在需要掃描的硬點(diǎn)部位附近粘貼適量“坐標(biāo)靶點(diǎn)”，開啟設(shè)備采集“坐標(biāo)靶點(diǎn)”并識(shí)別跟蹤，以設(shè)備為基準(zhǔn)原點(diǎn)對底盤硬點(diǎn)進(jìn)行掃描，掃描到的分塊點(diǎn)云內(nèi)容必須概括至少3個(gè)RPS矩陣球。圖5為掃描后的左前點(diǎn)云數(shù)據(jù)：

圖5 左前輪胎點(diǎn)云

4.2 應(yīng)用 PolyWorks 分塊數(shù)據(jù)對齊

PolyWorks主要應(yīng)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，是由多個(gè)模塊組成，并能夠簡化和加快處理數(shù)據(jù)的軟件。具備尺寸分析、3D建模、點(diǎn)云掃描等功能，且支持多種原始點(diǎn)云和三角化模型格式，可以滿足不同條件下的工作需求。而IMalign作為其中數(shù)據(jù)對齊模塊，能夠高精度、高效率的處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于形狀特征將分塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確對齊。

首先將原車RPS基準(zhǔn)孔擴(kuò)展的矩陣球作為CAD模型以及各個(gè)分區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入I Malign模塊中。以其中一塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為參考模型，在編輯中選擇分割移動(dòng)單元，將數(shù)據(jù)中矩陣球與其它點(diǎn)云分割移動(dòng)。選擇對齊模式“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”，以CAD矩陣球作為參考對象，點(diǎn)云矩陣球作為數(shù)據(jù)對象，采用n點(diǎn)對齊模式，即在兩幅點(diǎn)云中的公共特征位置相應(yīng)選取n對點(diǎn)（至少要3對點(diǎn)）進(jìn)行粗略對齊，再用best-fit alignment & comparison 進(jìn)行精準(zhǔn)對齊并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)整車坐標(biāo)對齊。

鎖定對齊好的點(diǎn)云，依次將為未對齊的分塊點(diǎn)云參考CAD矩陣球進(jìn)行精確擬合對齊，優(yōu)化對齊結(jié)果，統(tǒng)一到整車坐標(biāo)下，獲取完整的底盤硬點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖6 分塊點(diǎn)云擬合

5 總結(jié)

在底盤硬點(diǎn)數(shù)據(jù)采集中，便攜式測量臂以強(qiáng)大的硬件靈活性及高精度得以勝任，但底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量范圍較大，導(dǎo)致部分硬點(diǎn)數(shù)據(jù)無法采集，若采用局部測量方法，基準(zhǔn)不統(tǒng)一，偏差較大。點(diǎn)云掃描可以高精度高效率獲取數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)量大且不可避免的存在誤差累積。本文在實(shí)際應(yīng)用中引用矩陣的線性變換，在底盤關(guān)鍵RPS基準(zhǔn)孔線性擴(kuò)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量&點(diǎn)云掃描，即保證了底盤硬點(diǎn)的測量精度，且增強(qiáng)硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性。

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Hard Point Measurement of Automobile Chassis & Application of Scanning Technology

Liang Jianguo, Shi Chao, Liang Zhitong

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd.. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

In the whole vehicle development process, chassis performance research and development has a significant impact on product development cycle, and chassis performance depends on the accuracy of chassis hard point. This paper mainly discusses the verification of chassis hard point, using measurement technology and point cloud scanning to provide accurate and reliable data support for shortening the development cycle of automobile chassis.

Chassis Hard Point; Matrix; Measurement Technology; Scanning

U462

A

1671-7988(2019)08-74-03

U462

A

1671-7988(2019)08-74-03

梁建國，男，測量工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.023