點(diǎn)云技術(shù)在汽車(chē)焊裝方面的應(yīng)用

孫仁龍 潘福祿 高文芳 費(fèi)科舉 魏國(guó)興 楊勝男

（一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春130013）

1 前言

近年來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車(chē)的產(chǎn)能一直處于高位，各主機(jī)廠的競(jìng)爭(zhēng)也愈加激烈，為了拼搶市場(chǎng)，各主機(jī)廠不斷推出新的車(chē)型和新的產(chǎn)品，不斷對(duì)陳舊的焊裝線(xiàn)進(jìn)行搬遷或是改造?？梢园l(fā)現(xiàn)，搬遷改造項(xiàng)目的項(xiàng)目周期在不斷縮減，進(jìn)廠的時(shí)間有時(shí)不會(huì)超過(guò)1個(gè)月。質(zhì)量是各主機(jī)廠的立足之本，焊裝線(xiàn)搬遷或改造質(zhì)量的好壞，關(guān)鍵取決于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)程度。眾所周知，眾多設(shè)備集成的焊裝線(xiàn)中包含的設(shè)備種類(lèi)非常繁雜，采用傳統(tǒng)人工測(cè)繪的方法很難及時(shí)精準(zhǔn)地獲得所有數(shù)據(jù)，這時(shí)可以借助點(diǎn)云技術(shù)。

2 點(diǎn)云技術(shù)原理

點(diǎn)云掃描儀能夠持續(xù)向外投射不同波長(zhǎng)的紅外光，當(dāng)接觸到對(duì)象后，紅外光會(huì)反射到掃描儀，通過(guò)測(cè)量紅外線(xiàn)光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對(duì)象的距離。借助特殊的調(diào)制技術(shù)可提高調(diào)制信號(hào)的信噪比，這讓掃描得到的圖像更真實(shí)清晰。之后，通過(guò)使用編碼器測(cè)量計(jì)算各點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，形成最終的點(diǎn)云文件。此外，點(diǎn)云掃描儀可以通過(guò)測(cè)量接收到的激光光束的強(qiáng)度確定捕獲表面的反光性，一般淺色表面反射的反射光比深色表面多。有的點(diǎn)云掃描儀帶有彩色掃描功能，開(kāi)啟后掃描儀將使用集成彩色照相機(jī)拍攝所掃描環(huán)境的彩色照片，照相機(jī)會(huì)在激光掃描之后立即拍攝照片，照片將被用到點(diǎn)云處理軟件自動(dòng)為記錄的掃描數(shù)據(jù)著色[1]。

點(diǎn)云掃描儀能夠在幾分鐘內(nèi)為復(fù)雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細(xì)節(jié)豐富的三維圖像，設(shè)備所產(chǎn)生的圖像可能由數(shù)百萬(wàn)個(gè)3D測(cè)量點(diǎn)組成，適用于詳細(xì)的測(cè)量和文件記錄[2]。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和整理

3.1 前期準(zhǔn)備

由于焊裝車(chē)間環(huán)境復(fù)雜遮擋物多，所以需要在掃描前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況合理規(guī)劃掃描站點(diǎn)。

3.2 掃描站點(diǎn)設(shè)置原則

掃描站點(diǎn)的設(shè)置要在保證掃描全面的同時(shí)盡可能提高效率降低成本，不同品牌的點(diǎn)云掃描儀參數(shù)不一，應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目要求選擇適合的掃描儀并配置相應(yīng)的參數(shù)，設(shè)置掃描站點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意以下原則。

a.設(shè)置掃描站點(diǎn)時(shí)，所有掃描站點(diǎn)的掃描范圍應(yīng)覆蓋住整個(gè)焊裝線(xiàn)；

b.在保證采樣率與拼接精度的前提下，要用最少的掃描站點(diǎn)獲取完整的掃描數(shù)據(jù)，一方面是為了避免掃描站點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)增加影響掃描效率，另一方面是為了避免掃描站點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致后續(xù)配準(zhǔn)過(guò)程發(fā)生過(guò)多誤差累積；

c.2個(gè)掃描站點(diǎn)之間需要放置至少3個(gè)標(biāo)靶，兩站之間掃描重疊度在20%～30%為最佳，掃描站點(diǎn)與焊裝線(xiàn)體的距離要在最佳范圍內(nèi)，這樣既能保證掃描儀的分辨率和激光散射在合理范圍內(nèi)，又能保證掃描視野范圍開(kāi)闊[3]。

3.3 點(diǎn)云掃描操作

點(diǎn)云掃描儀在對(duì)中、調(diào)平后，需根據(jù)目標(biāo)焊裝線(xiàn)體特征來(lái)設(shè)置掃描范圍及分辨率等關(guān)鍵參數(shù)，在確認(rèn)參數(shù)設(shè)置正確后即可開(kāi)始掃描。在掃描過(guò)程中可暫停并檢查掃描質(zhì)量，不合格可以重新掃描。為了保證后續(xù)工作順利完成，在每個(gè)掃描站點(diǎn)上應(yīng)做好掃描記錄，主要記錄內(nèi)容包括掃描站點(diǎn)的位置略圖、掃描操作人、掃描儀參數(shù)等。在確認(rèn)掃描工作完成后，可將掃描儀搬到下一個(gè)站點(diǎn)，相應(yīng)調(diào)整后繼續(xù)掃描。在掃描操作過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題。

a.在掃描距離較短的情況下，不同的角度會(huì)有不同的激光接收率，并不是正直掃描時(shí)接受率最高；

b.掃描儀在操作時(shí)應(yīng)盡量避免車(chē)間施工造成的地面顫動(dòng)，掃描時(shí)應(yīng)在焊裝線(xiàn)體停產(chǎn)時(shí)，并用安全線(xiàn)圍住掃描區(qū)域，應(yīng)盡量避免掃描區(qū)內(nèi)有人員走動(dòng)；

c.點(diǎn)云掃描儀對(duì)焊裝車(chē)間的空氣質(zhì)量有一定的要求。因?yàn)榭諝庵械乃魵鈺?huì)吸收激光，所以激光在穿透濕度較高的空氣時(shí)會(huì)發(fā)生較大衰減，而且被測(cè)目標(biāo)表面的水也會(huì)使激光發(fā)生鏡面反射，所以在測(cè)量前應(yīng)保持焊裝車(chē)間的空氣干燥，并保持空氣可見(jiàn)度良好，避免空氣中的浮塵產(chǎn)生數(shù)據(jù)噪音；

d.光照對(duì)掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響也很重要，掃描應(yīng)盡量選擇晴朗的白天進(jìn)行，必要時(shí)需要增加工廠照明，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不理想的區(qū)域，可調(diào)整掃描級(jí)別進(jìn)行局部掃描。

3.4 掃描數(shù)據(jù)整理

由于焊裝線(xiàn)設(shè)備多且雜，掃描數(shù)據(jù)通常含有許多干擾或者無(wú)用的信息，應(yīng)首先對(duì)單個(gè)掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，僅保留所需要的焊裝線(xiàn)體信息即可。將不同掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，根據(jù)重疊區(qū)域的點(diǎn)云比對(duì)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)齊、拼接等擬合操作，最終將各站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系上，從而得到完整的焊裝線(xiàn)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。

如圖1所示，利用點(diǎn)云技術(shù)展示了1個(gè)焊裝線(xiàn)的全貌，通過(guò)這份點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直觀的看到整個(gè)線(xiàn)體的工藝布局，使沒(méi)有去過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的工藝員，也能快速準(zhǔn)確地了解整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)體的工藝布局，理論上講，點(diǎn)云提供的數(shù)據(jù)信息幾乎可以支撐起整個(gè)設(shè)計(jì)。

圖1 點(diǎn)云掃描儀生成的焊裝線(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 基于MicroStation的點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作

MicroStation是由Bentley（奔特力）公司開(kāi)發(fā)的二維和三維CAD設(shè)計(jì)軟件，在汽車(chē)焊裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的使用很廣泛，特別是歐美的車(chē)企中，MicroStation的應(yīng)用更為普遍，其操作指令和操作環(huán)境簡(jiǎn)單易用且高效，可以說(shuō)MicroStation代表了新一代電腦輔助繪圖軟件的標(biāo)準(zhǔn)。MicroStation內(nèi)置點(diǎn)云工具，如圖2所示，利用點(diǎn)云工具可導(dǎo)入、操作點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 MicroStation的點(diǎn)云命令窗

4.1 文件導(dǎo)入

由于POD格式是點(diǎn)云引擎可本地使用的唯一點(diǎn)云格式，并能允許用戶(hù)以出色的性能使用大型點(diǎn)云，其他所有格式的文件都必須轉(zhuǎn)換為POD格式。點(diǎn)擊導(dǎo)入命令，即可選擇相應(yīng)的點(diǎn)云文件。打開(kāi)點(diǎn)云文件之后，可以通過(guò)鼠標(biāo)滾輪操作對(duì)重要工位進(jìn)行局部放大。

4.2 設(shè)定線(xiàn)寬

線(xiàn)寬因素將直接影響到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的觀感，打開(kāi)點(diǎn)云找好最佳觀察角度后，從主頁(yè)選項(xiàng)卡的特性組中，打開(kāi)線(xiàn)寬選項(xiàng)菜單，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)的大小將根據(jù)選定的線(xiàn)寬增大或減小。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的構(gòu)成是點(diǎn)成線(xiàn)，線(xiàn)成面，面成體的過(guò)程，1份點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)有數(shù)以?xún)|計(jì)的點(diǎn)共同構(gòu)成，更改線(xiàn)寬也就更改了每個(gè)點(diǎn)的大小，可以獲得不同細(xì)膩程度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和不同的視覺(jué)感受。一般來(lái)說(shuō)，如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)密度足夠，選擇越小的線(xiàn)寬，整體顯示上會(huì)越細(xì)膩，線(xiàn)寬如果選擇過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)較大的光斑，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，所以線(xiàn)寬的調(diào)整需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，通過(guò)幾次嘗試性地調(diào)整可選擇到最合適的線(xiàn)寬。

4.3 點(diǎn)云截取

如圖3所示，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)大意味著包含著非常多的信息，當(dāng)只針對(duì)局部進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，就會(huì)使用到點(diǎn)云的截取功能，從整個(gè)線(xiàn)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)截取左上角，截取前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

圖3 整個(gè)線(xiàn)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 經(jīng)截取后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在抓取到局部信息后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)變得小巧，可以更加方便地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大等操作，在設(shè)計(jì)中是非常有用的?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量工具測(cè)量相關(guān)設(shè)備尺寸，由于測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量點(diǎn)的采樣并不精確，測(cè)量結(jié)果會(huì)有些許誤差，但仍是可以接受的，如圖5所示，實(shí)際高度為1 250 mm的機(jī)器人底座測(cè)量尺寸約為1 249.9 mm。

圖5 在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中測(cè)量機(jī)器人底座高度

4.4 利用設(shè)備地腳板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更新平面圖

有的項(xiàng)目中，不能從各方人員手中獲得準(zhǔn)確的平面圖數(shù)據(jù)，這時(shí)點(diǎn)云技術(shù)將有效應(yīng)用于制作正確的平面圖。平面圖中主要是展示設(shè)備的位置信息，而設(shè)備的位置信息取決于設(shè)備和地面接觸的位置，即設(shè)備的地腳位置信息。在點(diǎn)云掃描之前，需和掃描廠家充分溝通，確保各個(gè)設(shè)備的地腳板都能掃描到，掃描廠家除了需要提供完整的掃描數(shù)據(jù)之外，還需要提供1份地腳截圖的掃描數(shù)據(jù)，即截取距離地面5 mm和地面之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描廠家截取產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比在MicroSta?tion中使用點(diǎn)云命令截取產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作起來(lái)更流暢。用MicroStation打開(kāi)設(shè)備地腳板的點(diǎn)云文件，然后將需要更新的平面圖作為參考一并打開(kāi)激活。

如圖6所示，導(dǎo)入的平面圖和點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往是對(duì)不上的，可以看到整體都有發(fā)生偏移，需要調(diào)整。通過(guò)對(duì)角線(xiàn)調(diào)整的方式，整體調(diào)整平面圖直至和點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合。定義2個(gè)相同的參考點(diǎn)，可以以區(qū)域內(nèi)距離最遠(yuǎn)的2個(gè)機(jī)器人底座為參考點(diǎn)，如圖7所示，先對(duì)準(zhǔn)1個(gè)機(jī)器人底座，以這個(gè)底座的圓心為參考，整體旋轉(zhuǎn)平面圖讓另一個(gè)機(jī)器人底座落位。另一個(gè)較好的方法是以廠房立柱為參考點(diǎn)，掃描時(shí)讓掃描廠家附帶掃描2個(gè)廠房立柱，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)廠房立柱，調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)和平面圖的相對(duì)位置關(guān)系一致。在找到平面圖的整體位置之后，逐個(gè)移動(dòng)平面圖內(nèi)的設(shè)備至正確的位置上，最終達(dá)到圖8的效果。

圖6 調(diào)整前點(diǎn)云數(shù)據(jù)和平面圖

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)和平面圖參考點(diǎn)重合

圖8 調(diào)整后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和平面圖

如圖9所示，逐個(gè)排查，將平面圖上的各個(gè)元素移動(dòng)到正確的位置上，最終將得到一份能反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位置情況的平面圖，如圖10所示。

圖9 平面圖調(diào)整前

圖10 平面圖調(diào)整后

5 結(jié)束語(yǔ)

利用點(diǎn)云技術(shù)掃描焊裝生產(chǎn)線(xiàn)，可以在Micro?Station中查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際情況，利用MicroSta?tion中的點(diǎn)云命令，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、截取等操作。點(diǎn)云數(shù)據(jù)也是修復(fù)或者創(chuàng)建平面圖的重要參考，可以對(duì)照焊裝線(xiàn)內(nèi)設(shè)備地腳的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相應(yīng)地移動(dòng)平面圖中對(duì)應(yīng)的圖例，制作出和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位置信息一致的平面圖。點(diǎn)云掃描可以在焊裝線(xiàn)停產(chǎn)前完成，不必等待停產(chǎn)，較傳統(tǒng)的通過(guò)測(cè)繪完善平面圖的方式更加安全、高效。借助點(diǎn)云掃描技術(shù)，能夠快速得到接近真實(shí)的汽車(chē)焊裝車(chē)間的三維數(shù)據(jù)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，壓縮整個(gè)項(xiàng)目周期，并且能夠得到非常精確的結(jié)果。