激光掃描儀在測量車身間隙面差中的應用

高鈺

激光掃描儀在測量車身間隙面差中的應用

高鈺

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

車身間隙影響車輛的密封性，進而影響車身振動噪聲及防風雨性能。傳統人工檢測耗時長，無法滿足在線測量的需求，因此現在整車制造廠正在采用激光掃描儀來測量車身的間隙面差以代替人工測量，文章介紹了激光掃描儀的測量原理以及間隙面差的計算方法，并在實際案例中對測量結果進行了分析。

激光測量；間隙面差；白車身；尺寸測量

1 前言

汽車的車身主要由車身覆蓋件和結構部件組成，車身覆蓋件主要通過沖壓的方式形成。由于在對覆蓋件進行沖壓時存在誤差，因此在汽車組裝的過程中面板之間的間隙和面差值往往不符合設計要求，車身的間隙影響著車輛的密封性，進而影響車身振動噪聲及防風雨性能[1]，同時面差對車身輪廓曲線有重大的影響，盡可能小的面差會使車身外形輪廓曲線更加光順。因此，檢測車身的間隙面差具有重要的意義。傳統的車身間隙檢查方法主要包括機械接觸測量和三坐標測量機測量[2]。機械接觸式測量精度低且采樣率低，三坐標測量機測量既繁瑣又費時。此外，機械測量方法要與車身接觸，易對汽車的表面造成損傷。同時，這些方法并不能滿足在線檢查的要求。

隨著基于計算機視覺的測量技術迅速發展，激光掃描儀憑借非接觸、測量精度高、速度快等優點正被廣泛地應用于車身間隙面差的在線測量中，本文將會介紹激光掃描儀測量間隙面差的原理以及相關的應用。

2 激光掃描儀的測量原理

測量間隙面差的激光掃描儀包括手持式設備和在線式設備，目前正被越來越多地運用于汽車制造過程中。這些設備由攝像機和激光發生器組成，激光發生器產生的激光通常是線激光。如圖1所示，對于手持式測量設備，通過將設備手動移動到被測物體上方，并在規定的測量距離和角度內進行測量。對于在線測量（如圖2所示），將激光掃描儀固定到機器人的六軸上，在線測量系統可以提供高精度的測量結果，測量精度為±100μm。

圖1 手持式激光掃描儀

圖2 在線式激光掃描儀

線激光掃描儀通過激光發生器發射一條線激光到待測物體表面，攝像頭根據固定的角度測量該線激光在物體表面的反射，之后通過三角測量法原理確定待測物體的表面信息[3]。傳統的激光掃描儀使用單個紅色激光條和單個成像器來捕獲掃描表面，但是單個視圖無法看到間隙邊緣附近的表面點。如今交叉矢量傳感器利用多個激光和多個交叉角度來獲得視圖，這使得激光掃描儀可以掃描到圓弧半徑的邊緣到垂直切線以及超出的部分（如圖3所示）。因此可以獲得更加完整的表面輪廓和更精確的間隙測量結果。同時，相較于傳統紅色激光，使用藍光的激光掃描儀可以對前燈、尾燈、玻璃等透明件進行測量。

圖3 交叉矢量掃描技術

3 間隙面差的計算方法

現有激光掃描儀通過三角測量法從零件中提取表面幾何形狀（如圖4所示），使用激光二極管作為結構光源，CCD成像儀作為接收器來捕獲激光并將其轉換為電子信號。然后，控制器處理該信號并將其轉換為工程坐標，該坐標可用于生成零件的測量值。如何提取線激光中心線以及識別出中心線上的特征點是計算間隙面差關鍵。

提取線激光中心線方法主要有閾值法[4]、幾何中心線法[5]、極值法以及曲線擬合法，這些方法提取出來的激光光條中心線較為精確，并且滿足穩健性和實時性的要求。中心線上的特征點通常選取直線與曲線的交點，所使用的提取算法有拐點提取法[6]、曲率差分法等。如圖5所示為一段激光條紋，首先通過最小二乘法得出一側的基準面擬合直線，再用拐點提取法得到特征點A并計算其到擬合直線的距離，這個距離就稱為面差，該段激光條紋兩側曲線末端的特征點B和特征點C之間的距離即為間隙。

圖4 三角測量法原理

圖5 間隙面差的計算方法

4 案例分析

本文以某款手持式激光掃描儀對車門與翼子板、前車燈以及發動機罩與翼子板配合出的間隙面差進行了測量，其中車門與翼子板配合處有3個測量點位，前車燈配合處有2個測量點位，發動機罩與翼子板配合處有2個測量點位，每個測量點位測量5次。以塞尺測量到的值作為間隙的理論值，以面差尺測量到的值作為面差的理論值，詳細數據如表1和表2所示。

表1 各特征間隙測量值

表2 各特征面差測量值

從表1和表2可以計算得出該款手持式激光掃描儀測量的間隙值與理論值的平均差值為0.041mm，間隙值的極差均值為0.104mm，標準差均值為0.038mm，面差值與理論值的平均差值為0.091mm，面差值的極差均值為0.026mm，標準差均值為0.009mm，可以看出激光掃描儀在測量間隙面差時不僅測量的值準確而且穩定性良好，同時因為能夠實時得出測量結果，因而可以被廣泛地運用于在線測量中。

5 結論

本文介紹了激光掃描儀在測量間隙面差時的工作原理以及間隙面差的計算方法，之后在實際案例中使用激光掃描儀對車身上的間隙面差進行了測量，從測量結果可以看出激光掃描儀能夠滿足測量實際需求，并且將來也會被越來越多地運用于在線測量中。

[1] CUI A, XU WQ,CHEN X B,et al.Inspection of Car Body Gaps based on Stereo Vision[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 543: 1175-1178.

[2] 李麟.在線激光測量系統在白車身制造中的應用[D].上海:上海交通大學,2015.

[3] 李絨.面結構光三維系統相位測量精度研究[D].成都:電子科技大學,2017.

[4] 甘文龍,羅會信,劉海生等.基于機器視覺的管道焊接跟蹤技術研究[J].機床與液壓,2019,47(4):103-107.

[5] 許敏,馬鉞,陳帥等.基于結構光視覺的白車身覆蓋件間隙面差測量方法[J].傳感器與微系統,2017,36(9):13-16.

[6] 馮國衛,張一丁,孔飛等.基于激光測量的汽車零件間隙面差計算方法[J].激光與紅外,2014,44(4):370-373.

The Application of Laser Scanner in Measuring Gap and Flush

Gao Yu

（SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201206）

The body gaps affects the sealing of the vehicle, which in turn affects the body's vibration, noise and rainproof. Traditional manual inspection takes a long time and cannot meet the needs of online measurement. Therefore, vehicle manufacturers are now using laser scanners to measure the gap and flush of the car body instead of manual measurement. This article introduces the measurement principle of the laser scanner and the calculation method of the gap and flush, and analyzes the measurement results in actual cases.

Laser measurement; Gap and flush; White body; Size measurement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.033

U463.8

A

1671-7988(2021)07-101-03

U463.8

A

1671-7988(2021)07-101-03

高鈺，就職于上汽通用汽車有限公司。