基于三維激光技術(shù)的白車身測量研究

李曉云，王浩

摘? 要：本文從系統(tǒng)組成、測量流程、及測量結(jié)果分析3方面探討了使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)白車身進(jìn)行自動(dòng)化測量的技術(shù)，并從效率、精度等方面與傳統(tǒng)白車身接觸式測量做了對(duì)比說明。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;白車身測量;效率;精度

中圖分類號(hào)：U466? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）04-0092-04

Study on Measurement of Body in White Based on 3D Laser Technology

LI Xiao-yun， WANG Hao

（ SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd， Liuzhou 545005， China ）

Abstract： This paper discusses the technology of automatic measurement of body-in-white using 3D laser scanning system from three aspects of system composition， measurement process and analysis of measurement results， and compares it with traditional body-in-white contact measurement in efficiency and precision.

1? ? 背景

傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)在測量領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用多年，技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，是當(dāng)今汽車行業(yè)車身及零部件測量的主流。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測量系統(tǒng)在精度、可靠性上有了顯著提高，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在測量領(lǐng)域，并代表了當(dāng)今測量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。尤其在汽車車身尺寸檢測領(lǐng)域，已經(jīng)由傳統(tǒng)的三坐標(biāo)接觸式測量逐漸向非接觸式光學(xué)測量過渡。

與傳統(tǒng)的接觸式測量相比，光學(xué)測量有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和效率提升。光學(xué)測量效率更高，通過快速拍照掃描，實(shí)現(xiàn)零件全尺寸測量，單個(gè)零件的測量效率提升了10%～20%。光學(xué)測量測量結(jié)果更加直觀，通過將測量點(diǎn)云信息與零件的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以得到點(diǎn)云色差圖。利用色差圖可以更加直觀、方便地進(jìn)行尺寸狀態(tài)對(duì)比。光學(xué)測量測量數(shù)據(jù)可追溯，由于接觸式測量的數(shù)據(jù)是離散的，因此只能對(duì)過往測量數(shù)據(jù)中已經(jīng)采集的元素信息進(jìn)行分析。而光學(xué)測量零件的測量信息可以全部被保留，對(duì)于過往測量數(shù)據(jù)的分析更加便利，可以實(shí)現(xiàn)諸如增加測量點(diǎn)、重新擬合坐標(biāo)系等接觸式測量無法實(shí)現(xiàn)的功能。[1]

2? ? 自動(dòng)化三維激光測量系統(tǒng)概述

三維激光掃描作為光學(xué)測量的一種，可以在各種真實(shí)的車間狀況（不穩(wěn)定、振動(dòng)、溫度變化等）下，保持較高的精度，對(duì)環(huán)境照明條件要求不高，相對(duì)于結(jié)構(gòu)光掃描設(shè)備更適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用。

2.1? ?自動(dòng)化三維激光測量系統(tǒng)組成以及工作原理

自動(dòng)化三維激光測量系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人搭載激光掃描測頭組成的掃描設(shè)備（如圖1所示），機(jī)器人及掃描測頭控制器，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享系統(tǒng)組成，其工作原理如圖2所示。控制器控制工業(yè)機(jī)器人掃描設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)和掃描速度并將掃描設(shè)備輸出的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角化模型傳遞到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將工件掃描數(shù)據(jù)結(jié)合測量計(jì)劃，生成工件測量報(bào)告，上傳至測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享系統(tǒng)，供相關(guān)區(qū)域使用。

2.2? ?三維激光掃描設(shè)備組成

三維激光掃描設(shè)備由以下3個(gè)要素組成，如圖3所示：

1）激光跟蹤器：識(shí)別掃描儀和伸縮臂在空間坐標(biāo)系中的位置和角度信息。

2）激光掃描儀：掃描被測零件

3）伸縮臂：用來擴(kuò)大掃描儀的測量行程。

2.3? ?自動(dòng)化三維激光測量系統(tǒng)測量流程及其影響因子

自動(dòng)化三維激光測量系統(tǒng)的測量由5個(gè)步驟組成：導(dǎo)出被測工件數(shù)模->離線模擬編程->在線機(jī)器人示教->測量要素分析檢查->優(yōu)化測量軌跡。其中前4個(gè)步驟如圖4所示。第五步驟是為了優(yōu)化測量結(jié)果。

在自動(dòng)化測量過程中，工業(yè)機(jī)器人軌跡對(duì)于測量過程至關(guān)重要，所以在進(jìn)行測量項(xiàng)目前，首先要進(jìn)行測量系統(tǒng)編程。而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和各種測量特征的測量角度[2]對(duì)掃描數(shù)據(jù)的完整性影響很大，直接關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以首次示教所得的測量結(jié)果需要逐一分析每個(gè)特征的掃描數(shù)據(jù)完整性，并根據(jù)需要調(diào)整軌跡參數(shù)。

3? ? 用于白車身測量的系統(tǒng)精度驗(yàn)證

3.1? ?掃描設(shè)備自身精度和重復(fù)性驗(yàn)證

在對(duì)光學(xué)白車身測量系統(tǒng)進(jìn)行精度驗(yàn)證前，首先要確保激光掃描設(shè)備自身的精度和重復(fù)性滿足需求，這里我們使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)棒1×10測量法來進(jìn)行精度測試，如圖5所示：

測試步驟分以下2步：

a）6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棒擺放位置;

b）每個(gè)位置10次重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)球位置和距離極差。

所得結(jié)果如圖6所示。從圖紙可以看出，位置和距離極差最大帶寬為0.052mm，基本等同于雙懸臂CMM測量設(shè)備0.05mm的設(shè)備測量精度。白車身測量公差要求一般在±1.0～±1.5mm，因此這套光學(xué)測量設(shè)備精度滿足被測工件公差十分之一要求，可以作為白車身測量的測量設(shè)備。

3.2? ?系統(tǒng)精度和重復(fù)性驗(yàn)證

在一個(gè)光學(xué)測量系統(tǒng)中，除了測量設(shè)備的精度之外，測量支架，基準(zhǔn)系統(tǒng)，掃描數(shù)據(jù)完整性等也會(huì)對(duì)測量精度有很大影響，因此在確認(rèn)了測量設(shè)備精度和重復(fù)性之后，需要對(duì)整套系統(tǒng)的重復(fù)性進(jìn)行確認(rèn)。

如圖7所示，選用某車型的驗(yàn)證車身和測量支架，均勻選取該車型測量計(jì)劃中的各種測量特征，包含面點(diǎn)、切邊點(diǎn)、圓孔、長孔、方孔、螺柱、螺母等特征，使用1×10測量法來進(jìn)行精度測試，研究每一個(gè)特征的極差分布。

驗(yàn)證結(jié)果如表1特征極差統(tǒng)計(jì)所示：極差大于0.15mm的測量特征比例達(dá)到14.8%，遠(yuǎn)低于對(duì)于白車身CMM測量95%測量特征重復(fù)性極差小于0.15mm的要求。因此這個(gè)測量系統(tǒng)當(dāng)前并不滿足測量需求，需要進(jìn)行精度和重復(fù)性的提升研究。

3.3? ?測量系統(tǒng)優(yōu)化

在同一環(huán)境，使用同一測量支架重復(fù)測量同一白車身，產(chǎn)生的偏差僅來源于測量設(shè)備。查看具體測量特征偏差，面點(diǎn)極差小、一致性高，而螺母、螺柱、包邊切邊點(diǎn)這些測量特征極差大，穩(wěn)定性較差。針對(duì)這些極差大的測量特征，進(jìn)一步研究優(yōu)化測量方案。

3.3.1 螺母孔特征優(yōu)化研究

如圖8所示，螺母單側(cè)掃描時(shí)，僅能獲取大概1/3圓柱的掃描數(shù)據(jù)，由此擬合出整個(gè)圓孔，極差達(dá)到0.246mm。雙側(cè)掃描可以獲取大于1/2圓柱的掃描數(shù)據(jù)，此時(shí)極差為0.076mm，精度有顯著提升。配合測量球引出螺紋，單、雙側(cè)掃描極差可以進(jìn)一步提升到0.096mm、0.034mm，平衡測量精度需求、測量效率和成本，對(duì)于螺母測量可以采用雙側(cè)掃描（節(jié)省成本）或單側(cè)球（提升效率）方式。

3.3.2 包邊、切邊特征優(yōu)化研究

如圖9所示，包邊特征掃描時(shí)也存在數(shù)據(jù)一次掃描不完整的問題，當(dāng)斜45°或者正對(duì)包邊掃描，并不能完全獲取正反面和正對(duì)面的完整掃描數(shù)據(jù)。正反45°和正對(duì)包邊掃描可以獲取完整的掃描數(shù)據(jù)，但是測量效率較低，因此在白車身掃描中選取正反45°掃描，來平衡精度和效率問題。

3.4? ?優(yōu)化后系統(tǒng)精度和重復(fù)性驗(yàn)證

通過對(duì)所有測量特征精度的分析，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡和掃描速度，重新驗(yàn)證測量系統(tǒng)結(jié)果，如表2所示，可以得出以下結(jié)論：極差大于0.15mm的測量特征比例2.1%，優(yōu)于對(duì)于CMM測量95%測量特征極差小于0.15的要求，達(dá)到白車身測量的精度和重復(fù)性需求。

4? ? 小結(jié)

本文研究了使用三維激光掃描技術(shù)測量白車身精度的應(yīng)用，從系統(tǒng)組成、掃描設(shè)備組成、測量流程等方面詳述了這個(gè)測量系統(tǒng)。并對(duì)測量設(shè)備自身的測量精度、重復(fù)性和整個(gè)測量系統(tǒng)的測量精度和重復(fù)性做了驗(yàn)證。總結(jié)歸納出一些精度提升的方案在一個(gè)光學(xué)測量系統(tǒng)中，除了測量設(shè)備的精度之外，測量支架，基準(zhǔn)系統(tǒng)，掃描數(shù)據(jù)完整性等也會(huì)對(duì)測量精度有很大影響，因此在確認(rèn)了測量設(shè)備精度和重復(fù)性之后，需要對(duì)整體數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證方可得出最準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧?yán)?，張?qiáng)，田浩，劉曉晶.光學(xué)測量技術(shù)在車身尺寸監(jiān)控中的應(yīng)用[J].汽車工藝師，2019（11）：30-32.

[2]孫樹芳，方源敏.三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（30）：1-2.

[3]黃祥，于興林，楊帆.虛擬匹配技術(shù)在汽車白車身車門匹配中的應(yīng)用[J].汽車工程師，2020（04）：51-54.

[4]周翰，張磊，吳炤駿，彭?xiàng)?，徐剛，羅帥，趙云.白車身虛擬匹配技術(shù)及應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（11）：169-171.

[5]徐剛，張磊，周翰，吳炤駿.虛擬匹配技術(shù)在車身尺寸提升中的應(yīng)用[J].汽車零部件，2020（11）：99-101.

李曉云

畢業(yè)于西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，任檢具主任工程師，主要研究方向?yàn)闇y量系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。已發(fā)表文論1篇，實(shí)用型專利2項(xiàng)。