三維激光掃描技術(shù)在汽車鈑金件測(cè)量中的應(yīng)用

黎國(guó)漢， 李 燊， 蒲文偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007）

引言

每個(gè)車型的開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)保障，其中某些復(fù)雜且關(guān)鍵的鈑金件如前大梁總成等檢具的開(kāi)發(fā)質(zhì)量，直接影響了這些鈑金件在開(kāi)發(fā)階段的尺寸提升、后期量產(chǎn)尺寸監(jiān)控、問(wèn)題查找和解決的效率。而這些檢具的開(kāi)發(fā)，則往往嚴(yán)重依賴于以往車型同類零件的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、零件新工藝的識(shí)別輸入；GD&T 圖的發(fā)布質(zhì)量，如是否有遺漏檢測(cè)項(xiàng)、基準(zhǔn)布置及公差設(shè)置是否合理；檢具開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，若需要檢測(cè)的要素太多或位于檢具中部，導(dǎo)致可能需要取舍部分檢測(cè)項(xiàng)；人機(jī)工程，檢測(cè)要素位置是否太高太矮、檢測(cè)通道是否太窄，否則可能導(dǎo)致檢測(cè)不便、讀數(shù)誤差大；參與檢具評(píng)審人員的經(jīng)驗(yàn)積累等。這些主觀因素影響太大，導(dǎo)致檢具開(kāi)發(fā)質(zhì)量波動(dòng)很大。

而拋開(kāi)上述檢具開(kāi)發(fā)因素影響，后期檢具使用需要解決的問(wèn)題仍然很多。檢具開(kāi)發(fā)制造或EWO 更改未回廠，急用檢具卻無(wú)法確認(rèn)零件關(guān)聯(lián)尺寸是否合格。孔位位置度劃線讀數(shù)和特殊曲面測(cè)點(diǎn)測(cè)量，在不同測(cè)量人員之間的讀數(shù)往往誤差較大影響問(wèn)題判斷。零件上檢具測(cè)量生成的數(shù)據(jù)離散，無(wú)法直接電子圖表化、曲線化目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期尺寸偏差走向；很多中小供應(yīng)商往往沒(méi)有便攜式、龍門式CMM 設(shè)備，且為壓縮開(kāi)發(fā)成本只開(kāi)發(fā)供貨級(jí)總成檢具、不開(kāi)發(fā)關(guān)鍵過(guò)程件檢具，只能通過(guò)00 級(jí)檢具判定總成及其子零件尺寸質(zhì)量，不能有效指導(dǎo)總成尺寸問(wèn)題分析解決和解決效率。

另外，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，不同車型產(chǎn)品競(jìng)相開(kāi)發(fā)、車型生命周期大為縮短，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)總成開(kāi)發(fā)的檢具雖然占用大量場(chǎng)地但仍無(wú)處安放、經(jīng)常被動(dòng)轉(zhuǎn)移，無(wú)法滿足檢具存放環(huán)境的恒溫、恒濕、無(wú)塵的嚴(yán)苛要求；同時(shí)轉(zhuǎn)移過(guò)程檢具難免磕碰變形、轉(zhuǎn)移后檢具存放常未能及時(shí)調(diào)平影響檢具精度，檢測(cè)銷、劃線銷等遺失情況時(shí)有發(fā)生影響檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)檢具在某些供應(yīng)商實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)管理、維護(hù)和應(yīng)用時(shí)，已經(jīng)成為不能承受之重。那是否還有其他方式能克服或改善上述檢具固有缺陷、提高檢測(cè)精度和尺寸問(wèn)題解決效率？

有。三維激光掃描技術(shù)就能解決上述問(wèn)題。

1 三維激光掃描技術(shù)介紹

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是基于面的數(shù)據(jù)采集方式[1]。其掃描輸出成果直接顯示為三維點(diǎn)云，主要用來(lái)分析物體形狀、幾何構(gòu)造和外觀數(shù)據(jù)（如物體顏色、表面反光率等性質(zhì)）等，它利用三角激光測(cè)距的原理，通過(guò)記實(shí)被測(cè)物體表面大量的點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)、幾何紋理和反光率等信息，在模擬世界中快速建構(gòu)三維可視化模型及體、面、點(diǎn)和線等各種圖像信息[2]。它可以實(shí)現(xiàn)最高效的全尺寸檢測(cè)，可自由掃描工件的任意位置，精確分析任意位置的偏差；基于掃描數(shù)據(jù)，與3D 數(shù)模比較，生成顏色誤差色譜、偏差注釋、尺寸測(cè)量、幾何公差檢測(cè)和直觀檢測(cè)報(bào)告[3]。

以W 供應(yīng)商使用的MetraSCAN 3D 掃描系統(tǒng)為例，它主要由C-Track、MetraSCAN、HandyPROBE 三部分組成。其中C-Track 雙相機(jī)傳感器是該系統(tǒng)的核心部件，測(cè)量過(guò)程中C-Track 以30 Hz/s 的速度采集圖像，得到每幅圖像中MetraSCAN 或HandyPROBE上反射靶的二維位置，再利用三角測(cè)距法計(jì)算多幅圖像中每個(gè)反射靶的坐標(biāo)值，得到MetraSCAN 或HandyPROBE 設(shè)備上每個(gè)反射靶在C-Track 工作空間內(nèi)的三維坐標(biāo)值，再經(jīng)過(guò)Vxelements 軟件的計(jì)算將被測(cè)物體自由形面數(shù)據(jù)或幾何數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在操作者眼前，見(jiàn)圖1。

它將便攜式光學(xué)CMM、3D 掃描儀、攝影測(cè)量系統(tǒng)及全集成尺寸檢測(cè)軟件的優(yōu)勢(shì)完美結(jié)合在一起，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）它不受任何車間環(huán)境中不穩(wěn)定因素的影響，可確保產(chǎn)品性能。

2）它采用無(wú)臂手持式掃描，移動(dòng)性和靈活性高，可高效測(cè)量尺寸介于0.1～10 m 之間、以任意材料制成的零部件，因此適用場(chǎng)景廣泛。

目前MetraSCAN 3D 掃描系統(tǒng)主要應(yīng)用方向。

1）檢測(cè)，生產(chǎn)零部件檢測(cè)、初樣檢測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等；

2）逆向工程，3D 掃描至CAD、3D 建模，快速原型制作/制造，測(cè)試、模擬與分析等；

3）三坐標(biāo)檢測(cè)，夾具、檢具測(cè)量，在機(jī)測(cè)量，大型工裝不切換基準(zhǔn)測(cè)量等。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

正是看到MetraSCAN 3D 激光掃描的巨大優(yōu)勢(shì)，因此W 供應(yīng)商從2017 年即開(kāi)始在鈑金件測(cè)量中做MetraSCAN 3D 激光掃描可行性研究。

W 供應(yīng)商擬使用的Metra750 設(shè)備空間精度達(dá)到0.068 mm；而直線精度為0.030（±0.015）mm。通過(guò)三維激光掃描設(shè)備測(cè)量孔位與卡尺對(duì)比，本次驗(yàn)證三維激光掃描的最大偏差精度為0.010 mm，符合設(shè)備廠家的設(shè)備精度描述標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖2。

在汽車鈑金中，孔位置度公差一般為±0.2 mm；型面公差一般為±0.75 mm/±0.1 mm；故Metra750 設(shè)備精度能滿足鈑金尺寸的精度測(cè)量要求。

確認(rèn)項(xiàng)目可行后，W 供應(yīng)商2017 年底即著手推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施，至2018 年10 月已基本建成并逐步完善拓展應(yīng)用，主要建立過(guò)程如下。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施完善

1）滿足檢測(cè)設(shè)備對(duì)光線、溫度及操作環(huán)境的要求；2）具備標(biāo)準(zhǔn)化管理的硬件設(shè)施。

2.2 檢測(cè)設(shè)備調(diào)試

1）購(gòu)置MetraSCAN 3D 掃描系統(tǒng)，具備快速檢測(cè)汽車鈑金設(shè)備能力。

2）完成設(shè)備調(diào)試，使其產(chǎn)品精度符合產(chǎn)品圖紙要求。

3）與自動(dòng)采集端口對(duì)接。

2.3 自動(dòng)采集設(shè)置

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備出具的報(bào)告自動(dòng)采集到云端數(shù)據(jù)中。

2）自動(dòng)采集系統(tǒng)中的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定。

3）自動(dòng)采集主界面設(shè)置。

2.4 數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)

1）與自動(dòng)采集端口對(duì)接。

2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接；滿足數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)礁鞑块T終端顯示。

3）登錄及工程師權(quán)限設(shè)置。

MetraSCAN 3D 激光掃描現(xiàn)已覆蓋W 供應(yīng)商現(xiàn)有量產(chǎn)車型的主要供貨零件，如圖3 所示，通過(guò)掃描出待測(cè)零件模型，將零件模型與產(chǎn)品數(shù)模做擬合對(duì)比分析，即可直觀看出零件的整體尺寸偏差狀態(tài)：紅色代表偏向上偏差；藍(lán)色代表尺寸偏向下偏差。

同時(shí)W 供應(yīng)商應(yīng)用激光掃描，已覆蓋其廠內(nèi)自制沖壓件、關(guān)鍵采購(gòu)件，并以此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)展總成尺寸提升工作。通過(guò)兩年成熟運(yùn)行，目前自制沖壓件、關(guān)鍵采購(gòu)件、供貨總成、整車CMM 中W 供應(yīng)商零件測(cè)點(diǎn)合格率正穩(wěn)步提升中，得益于MetraSCAN 3D 激光掃描相比傳統(tǒng)檢具的明顯優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。

從表1 可見(jiàn)，從新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)保障，MetraSCAN 3D 激光掃描相比傳統(tǒng)專用檢具，可介入數(shù)據(jù)檢測(cè)和監(jiān)控的周期更長(zhǎng)、通用性更好、適用范圍更廣。

表1 MetraSCAN 3D 激光掃描較傳統(tǒng)檢具應(yīng)用場(chǎng)景更廣泛

從表2 可見(jiàn)，從測(cè)量精度、數(shù)據(jù)易讀性、檢測(cè)節(jié)拍、人工成本、場(chǎng)地占用、新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)投入等方面對(duì)比，MetraSCAN 3D 激光掃描相比傳統(tǒng)專用檢具的效率及成本優(yōu)勢(shì)顯著。

表2 MetraSCAN 3D 激光掃描較傳統(tǒng)檢具效率/成本優(yōu)勢(shì)更顯著

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立MetraSCAN 3D 激光掃描，W 供應(yīng)商基本打通了主機(jī)廠→00 級(jí)供應(yīng)商→下級(jí)子供應(yīng)商的尺寸數(shù)據(jù)鏈條，有效提高了鈑金件尺寸數(shù)據(jù)的監(jiān)控、預(yù)警、整改效率，在主機(jī)廠零部件、整車合格率要求越來(lái)越高的現(xiàn)實(shí)情況下，具有特殊意義。未來(lái)期待更多激光掃描在鈑金供應(yīng)商體系內(nèi)開(kāi)花結(jié)果。