基于虛擬匹配的車(chē)身裝配預(yù)警方法研究

劉曉晶，桑偉

北京奔馳汽車(chē)有限公司 北京 100176

隨著生活水平的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)質(zhì)量的要求也在隨之提高。車(chē)身間隙/段差是用戶(hù)對(duì)汽車(chē)的第一印象，同時(shí)對(duì)汽車(chē)在密封防水、噪聲抑制等性能上產(chǎn)生直接影響，因此在汽車(chē)制造中對(duì)車(chē)身間隙段差的重視程度不斷提升[1]。汽車(chē)零部件的制造與裝配精度是控制車(chē)身質(zhì)量的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)方法是將車(chē)身實(shí)際零部件進(jìn)行匹配，然后測(cè)量其間隙段差，測(cè)量過(guò)程需要安裝支具、固定零件與調(diào)整坐標(biāo)系，且在整體裝配后才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這使得信息不能得到及時(shí)反饋，存在效率低、成本高的缺點(diǎn)。因此提出基于Polyworks的車(chē)身虛擬匹配方法，在零部件裝配前獲取匹配信息，對(duì)車(chē)身間隙超差或干涉等問(wèn)題進(jìn)行提前預(yù)警，可有效提高工作效率，降低汽車(chē)生產(chǎn)成本。

虛擬匹配簡(jiǎn)介

1.概念

虛擬匹配是實(shí)際零部件裝配過(guò)程在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)方法，即在計(jì)算機(jī)中完成點(diǎn)云建模、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、零件裝配和數(shù)據(jù)分析等全程協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)手段[2]。與虛擬匹配不同的是，虛擬裝配采用理想數(shù)模進(jìn)行裝配[3]，其模型不存在誤差與變形等因素，但在實(shí)際生產(chǎn)中，所用零件不可避免地存在制造偏差，虛擬裝配無(wú)法反映真實(shí)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。虛擬匹配是使用雙目視覺(jué)、三維激光等測(cè)量手段，采集零部件整體點(diǎn)云模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)建模技術(shù)，得到可視化的真實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行可變化的、精確的對(duì)齊裝配，以實(shí)現(xiàn)車(chē)身實(shí)際裝配潛在問(wèn)題的可視化分析與處理。

2.平臺(tái)介紹

為保證模型能夠更加準(zhǔn)確地描述零件數(shù)據(jù)特征，本研究采用ZEISS PRO測(cè)量臂搭載ZEISS EagleEye2 navigator激光傳感器，如圖1所示，該組合方案可獲取零件特征微米級(jí)信息。另外，其他基于光學(xué)的測(cè)量系統(tǒng)，在具備一定分辨率和數(shù)據(jù)格式的前提下，也可作為數(shù)據(jù)源，如ATOS GOM和海克斯康360SIMS系統(tǒng)。本研究試驗(yàn)處理平臺(tái)為臺(tái)式計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Polyworks 2018進(jìn)行模型裝配與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的高品質(zhì)評(píng)估。

圖1 硬件配置

關(guān)鍵技術(shù)

本研究擬采用激光三維掃描的方式，獲取汽車(chē)零件的點(diǎn)云信息，通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)的處理與逆向建模，得到零件真實(shí)模型的特征數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中，按照工藝要求或裝配分析要求，對(duì)零件模型進(jìn)行對(duì)齊裝配，并生成檢測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配結(jié)果的匹配分析與單件分析。

本研究所用方法關(guān)鍵技術(shù)主要包括：三維點(diǎn)云獲取、數(shù)據(jù)去噪、輕量化處理和模型重構(gòu)。

1.三維點(diǎn)云獲取

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著測(cè)量結(jié)果的精度與可信度。由于汽車(chē)零件多為鈑金制品，該類(lèi)工件存在柔性與回彈性，探針等接觸式測(cè)量方式受觸發(fā)力和測(cè)點(diǎn)密度的影響，不能全面反映零件尺寸狀態(tài)，且數(shù)據(jù)在計(jì)算方面受到很大限制。本研究使用激光掃描的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)零接觸測(cè)量，可避免測(cè)量力帶來(lái)的隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差。在實(shí)際工作中，單次掃描往往僅能測(cè)量零件的局部數(shù)據(jù)，為得到完整的三維點(diǎn)云，測(cè)量臂需搭載測(cè)頭從不同位置與角度進(jìn)行多次掃描，相鄰兩次掃描部分應(yīng)有重合，重疊區(qū)域占整體數(shù)據(jù)的15%～25%，測(cè)量獲取零件點(diǎn)云信息如圖2所示。

圖2 零件點(diǎn)云文件

2.數(shù)據(jù)去噪

通過(guò)激光掃描直接獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在一些噪點(diǎn)，產(chǎn)生噪點(diǎn)的因素主要有夾具的誤掃描、環(huán)境因素與設(shè)備誤差等，如不去除數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)，將對(duì)模型裝配精度造成影響。噪點(diǎn)去除方式分為人工手動(dòng)去噪和自動(dòng)擬合去噪。人工去噪是通過(guò)測(cè)量人員對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，并在軟件中手動(dòng)去除噪點(diǎn)，此方法簡(jiǎn)單直觀，但大型零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)巨大，手動(dòng)去噪的效率低下，通常用于噪聲的初步處理。自動(dòng)擬合去噪是采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理想數(shù)模進(jìn)行擬合，通過(guò)設(shè)置參數(shù)，消除數(shù)據(jù)中的粗差點(diǎn)，此方法能夠快速地去除點(diǎn)云中的噪聲，去噪效果如圖3所示。

圖3 防護(hù)工裝

圖3 點(diǎn)云去噪效果

3.輕量化處理

在點(diǎn)云去噪后仍然會(huì)有大量重疊的數(shù)據(jù)在點(diǎn)云中存在，若直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，會(huì)增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷，甚至?xí)?dǎo)致模型異常情況的出現(xiàn)。因此需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理。本研究采用八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)法，其做法是在三維空間中選定包圍點(diǎn)云的最小立方塊，并將此立方塊劃分為8個(gè)大小相同的立方塊，然后依次對(duì)各小立方塊進(jìn)行相同的分割，直至立方塊達(dá)到預(yù)設(shè)條件位置，精簡(jiǎn)前后的部分點(diǎn)云如圖4所示。可以看出，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)消除重疊數(shù)據(jù)、精簡(jiǎn)點(diǎn)云的目標(biāo)。

圖4 輕量化效果

4.模型重構(gòu)

處理后的點(diǎn)云依然是離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其并不能直接用來(lái)進(jìn)行裝配，需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重構(gòu)，使之成為具有面結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。Polyworks采用Delaunay三角剖分算法[5]，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的測(cè)點(diǎn)以三角形進(jìn)行包絡(luò)，此方法計(jì)算式可覆蓋點(diǎn)云中全部數(shù)據(jù)，且無(wú)論從點(diǎn)云中何處構(gòu)建三角網(wǎng)絡(luò)，最終得到的結(jié)果都是相同的，確保相同點(diǎn)云重構(gòu)出的模型具有唯一性。模型重構(gòu)后所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成了一個(gè)整體，如圖5所示?？梢钥闯?，處理后的模具有更高的完備性，為后續(xù)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配提供了必要條件。

圖5 模型重構(gòu)效果

實(shí)例分析

車(chē)身零件在實(shí)際裝配中出現(xiàn)間隙過(guò)盈或干涉時(shí)，由于車(chē)身裝配情況復(fù)雜，進(jìn)行單件測(cè)量極為不便，因此很難判斷調(diào)整哪個(gè)零件以及如何調(diào)整[6]。在虛擬匹配的報(bào)告中，不但可以清晰地看出裝配后計(jì)算結(jié)果的所在位置，并且可以直接查看單個(gè)零件與理想數(shù)模之間的偏差，從而快速有效地找到問(wèn)題零件，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。根據(jù)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)問(wèn)題零件提前調(diào)整或修改制造模具，最終實(shí)現(xiàn)一次裝配成功的目標(biāo)。

本研究通過(guò)激光三維掃描與點(diǎn)云逆向建模的方式獲取實(shí)際零件的特征數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)蓋和翼子板進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，并生成標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告，對(duì)其裝配結(jié)果進(jìn)行分析。

1.基準(zhǔn)對(duì)齊

在獲取機(jī)蓋和翼子板模型后，為保證兩個(gè)工件在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行精準(zhǔn)裝配，本研究采用最佳擬合方法，以理想數(shù)模所在坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，將點(diǎn)云看做剛體的單點(diǎn)，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)只有平移和旋轉(zhuǎn)，因此工件坐標(biāo)系和標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的對(duì)齊可用變換矩陣R、T來(lái)表示：

式中，?、w、k分別表示X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角；Tx、Ty、Tz分別表示各坐標(biāo)軸的平移量。

通過(guò)工件模型與理想數(shù)模擬合的操作，機(jī)蓋與翼子板模型在計(jì)算機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配，可用于后續(xù)對(duì)比與分析。

2.報(bào)告生成與結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際試生產(chǎn)調(diào)試需要，在虛擬裝配后的模型上選取測(cè)量點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并生成報(bào)告。通過(guò)機(jī)蓋與翼子板的間隙測(cè)量結(jié)果報(bào)告可以看出，機(jī)蓋與翼子板之間存在1.4mm的V形間隙，偏差0.53mm～-0.87mm。機(jī)蓋和翼子板分別的偏差值，即零件制造誤差，通過(guò)測(cè)點(diǎn)顏色與對(duì)應(yīng)數(shù)值刻度能夠直觀的顯示出工件的偏差狀態(tài)。分別查看機(jī)蓋和翼子板在該區(qū)域的公差標(biāo)準(zhǔn)，均為±0.4mm，可以看出造成此問(wèn)題的主要原因是機(jī)蓋在測(cè)點(diǎn)處偏差較大，屬于單件超差導(dǎo)致的裝配干涉，需對(duì)此件進(jìn)行修整以用于后續(xù)生產(chǎn)裝配。

3.標(biāo)準(zhǔn)化虛擬匹配報(bào)告與流程

為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬匹配過(guò)程，基于上述研究成果，須對(duì)數(shù)據(jù)和報(bào)告頁(yè)面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。

首先根據(jù)整車(chē)DTS斷面（Dimensional Technical Specification尺寸技術(shù)規(guī)范），在Polyworks中設(shè)置固定的測(cè)量斷面和計(jì)算公式，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，匹配計(jì)算結(jié)果為DMO數(shù)據(jù)格式上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中特定的路徑。數(shù)據(jù)庫(kù)中以編號(hào)為索引，將樣本信息和經(jīng)過(guò)編號(hào)的斷面設(shè)置為變量，對(duì)全部匹配計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，即通過(guò)報(bào)告模板和數(shù)據(jù)的篩選，將特定樣本的計(jì)算結(jié)果載入經(jīng)過(guò)編號(hào)的變量中，進(jìn)行可視化、標(biāo)準(zhǔn)化顯示，系統(tǒng)可以一次載入多組樣本，可同步實(shí)現(xiàn)SPC過(guò)程監(jiān)控。通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，虛擬匹配的結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)化的格式顯示在各工藝位、制造工程師的辦公電腦上，實(shí)現(xiàn)了高效的無(wú)紙化數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)語(yǔ)

本文采用虛擬匹配的方法，對(duì)車(chē)身零件進(jìn)行逆向建模，獲取零件真實(shí)數(shù)據(jù)特征，并在計(jì)算機(jī)中將零件模型與理想數(shù)模進(jìn)行對(duì)比與裝配，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題零件的提前預(yù)警，相比于傳統(tǒng)的實(shí)物匹配：減少了匹配支架的采購(gòu)，省去了實(shí)物零件精確裝配所必須的長(zhǎng)時(shí)間裝配調(diào)整，避免了專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間占用，有效避免實(shí)際裝配中反復(fù)調(diào)裝與復(fù)雜測(cè)量的問(wèn)題。大規(guī)模投入使用，可縮短模具夾具的調(diào)試周期，達(dá)到汽車(chē)試生產(chǎn)調(diào)試期間已經(jīng)量產(chǎn)過(guò)程中，尺寸質(zhì)量成本的降低和測(cè)量效率的大幅提升。