基于三維激光技術的白車身測量研究

李曉云，王浩

摘? 要：本文從系統組成、測量流程、及測量結果分析3方面探討了使用三維激光掃描系統對白車身進行自動化測量的技術，并從效率、精度等方面與傳統白車身接觸式測量做了對比說明。

關鍵詞：三維激光掃描;白車身測量;效率;精度

中圖分類號：U466? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：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

傳統的接觸式測量技術在測量領域已經應用多年，技術成熟、應用廣泛，是當今汽車行業車身及零部件測量的主流。隨著光電技術的發展，光學測量系統在精度、可靠性上有了顯著提高，已經越來越廣泛地應用在測量領域，并代表了當今測量技術的發展趨勢。尤其在汽車車身尺寸檢測領域，已經由傳統的三坐標接觸式測量逐漸向非接觸式光學測量過渡。

與傳統的接觸式測量相比，光學測量有著明顯的技術優勢和效率提升。光學測量效率更高，通過快速拍照掃描，實現零件全尺寸測量，單個零件的測量效率提升了10%～20%。光學測量測量結果更加直觀，通過將測量點云信息與零件的CAD數據進行比對，可以得到點云色差圖。利用色差圖可以更加直觀、方便地進行尺寸狀態對比。光學測量測量數據可追溯，由于接觸式測量的數據是離散的，因此只能對過往測量數據中已經采集的元素信息進行分析。而光學測量零件的測量信息可以全部被保留，對于過往測量數據的分析更加便利，可以實現諸如增加測量點、重新擬合坐標系等接觸式測量無法實現的功能。[1]

2? ? 自動化三維激光測量系統概述

三維激光掃描作為光學測量的一種，可以在各種真實的車間狀況（不穩定、振動、溫度變化等）下，保持較高的精度，對環境照明條件要求不高，相對于結構光掃描設備更適合生產現場使用。

2.1? ?自動化三維激光測量系統組成以及工作原理

自動化三維激光測量系統由工業機器人搭載激光掃描測頭組成的掃描設備（如圖1所示），機器人及掃描測頭控制器，數據分析處理系統和數據存儲、共享系統組成，其工作原理如圖2所示。控制器控制工業機器人掃描設備的運動軌跡、姿態和掃描速度并將掃描設備輸出的原始點云數據轉換成三角化模型傳遞到數據分析系統中，數據分析系統將工件掃描數據結合測量計劃，生成工件測量報告，上傳至測量數據存儲、共享系統，供相關區域使用。

2.2? ?三維激光掃描設備組成

三維激光掃描設備由以下3個要素組成，如圖3所示：

1）激光跟蹤器：識別掃描儀和伸縮臂在空間坐標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：用來擴大掃描儀的測量行程。

2.3? ?自動化三維激光測量系統測量流程及其影響因子

自動化三維激光測量系統的測量由5個步驟組成：導出被測工件數模->離線模擬編程->在線機器人示教->測量要素分析檢查->優化測量軌跡。其中前4個步驟如圖4所示。第五步驟是為了優化測量結果。

在自動化測量過程中，工業機器人軌跡對于測量過程至關重要，所以在進行測量項目前，首先要進行測量系統編程。而機器人的運動速度和各種測量特征的測量角度[2]對掃描數據的完整性影響很大，直接關系到測量結果的準確性，所以首次示教所得的測量結果需要逐一分析每個特征的掃描數據完整性，并根據需要調整軌跡參數。

3? ? 用于白車身測量的系統精度驗證

3.1? ?掃描設備自身精度和重復性驗證

在對光學白車身測量系統進行精度驗證前，首先要確保激光掃描設備自身的精度和重復性滿足需求，這里我們使用標準校準棒1×10測量法來進行精度測試，如圖5所示：

測試步驟分以下2步：

a）6個標準棒擺放位置;

b）每個位置10次重復測量標準球位置和距離極差。

所得結果如圖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測量設備0.05mm的設備測量精度。白車身測量公差要求一般在±1.0～±1.5mm，因此這套光學測量設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備。

3.2? ?系統精度和重復性驗證

在一個光學測量系統中，除了測量設備的精度之外，測量支架，基準系統，掃描數據完整性等也會對測量精度有很大影響，因此在確認了測量設備精度和重復性之后，需要對整套系統的重復性進行確認。

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

驗證結果如表1特征極差統計所示：極差大于0.15mm的測量特征比例達到14.8%，遠低于對于白車身CMM測量95%測量特征重復性極差小于0.15mm的要求。因此這個測量系統當前并不滿足測量需求，需要進行精度和重復性的提升研究。

3.3? ?測量系統優化

在同一環境，使用同一測量支架重復測量同一白車身，產生的偏差僅來源于測量設備。查看具體測量特征偏差，面點極差小、一致性高，而螺母、螺柱、包邊切邊點這些測量特征極差大，穩定性較差。針對這些極差大的測量特征，進一步研究優化測量方案。

3.3.1 螺母孔特征優化研究

如圖8所示，螺母單側掃描時，僅能獲取大概1/3圓柱的掃描數據，由此擬合出整個圓孔，極差達到0.246mm。雙側掃描可以獲取大于1/2圓柱的掃描數據，此時極差為0.076mm，精度有顯著提升。配合測量球引出螺紋，單、雙側掃描極差可以進一步提升到0.096mm、0.034mm，平衡測量精度需求、測量效率和成本，對于螺母測量可以采用雙側掃描（節省成本）或單側球（提升效率）方式。

3.3.2 包邊、切邊特征優化研究

如圖9所示，包邊特征掃描時也存在數據一次掃描不完整的問題，當斜45°或者正對包邊掃描，并不能完全獲取正反面和正對面的完整掃描數據。正反45°和正對包邊掃描可以獲取完整的掃描數據，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? ?優化后系統精度和重復性驗證

通過對所有測量特征精度的分析，優化機器人運行軌跡和掃描速度，重新驗證測量系統結果，如表2所示，可以得出以下結論：極差大于0.15mm的測量特征比例2.1%，優于對于CMM測量95%測量特征極差小于0.15的要求，達到白車身測量的精度和重復性需求。

4? ? 小結

本文研究了使用三維激光掃描技術測量白車身精度的應用，從系統組成、掃描設備組成、測量流程等方面詳述了這個測量系統。并對測量設備自身的測量精度、重復性和整個測量系統的測量精度和重復性做了驗證。總結歸納出一些精度提升的方案在一個光學測量系統中，除了測量設備的精度之外，測量支架，基準系統，掃描數據完整性等也會對測量精度有很大影響，因此在確認了測量設備精度和重復性之后，需要對整體數據進行重復性驗證方可得出最準確的測量結果。

參考文獻：

[1]鄧磊，張強，田浩，劉曉晶.光學測量技術在車身尺寸監控中的應用[J].汽車工藝師，2019（11）：30-32.

[2]孫樹芳，方源敏.三維激光掃描技術的數據處理及誤差分析[J].科技創新導報，2008（30）：1-2.

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

[4]周翰，張磊，吳炤駿，彭楊，徐剛，羅帥，趙云.白車身虛擬匹配技術及應用[J].汽車實用技術，2020（11）：169-171.

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

李曉云

畢業于西南交通大學材料科學與工程學院，本科學歷，現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，主要研究方向為測量系統的開發應用。已發表文論1篇，實用型專利2項。