三維掃描在汽車行業(yè)的數(shù)字化檢測(cè)應(yīng)用

楊延亮，吳東哲，劉穎鵬，肖文彬，莊億佳

中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南卡車股份有限公司 山東濟(jì)南 250000

中科院廣州技術(shù)有限公司 廣州 510000

汽車為了降低在高速行進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)阻，對(duì)車身的流線表面有很高要求，車門就是其中重要的一環(huán)。車門在生產(chǎn)過程中，對(duì)表面精度有一定要求，如果偏差太大，就可能達(dá)不到設(shè)計(jì)的理想效果，會(huì)使汽車行駛時(shí)風(fēng)阻加大，導(dǎo)致該汽車耗油增加。如何準(zhǔn)確、快速、便捷地控制車門的表面質(zhì)量，達(dá)到減少風(fēng)阻的設(shè)計(jì)初衷，這成為了行業(yè)的痛點(diǎn)。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，三維掃描儀開始進(jìn)入這一行業(yè)，有效地解決前面的難題。依賴計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展與成熟，結(jié)合這兩者所誕生的掃描儀逐漸步入人們的視野中，并廣泛滲透到各行各業(yè)，有效地解決各行業(yè)的難題。

三維掃描簡(jiǎn)介

三維掃描是集光學(xué)、機(jī)電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新無損檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)?shí)物的空間外形、結(jié)構(gòu)乃至色彩進(jìn)行掃描，將立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，獲得物體表面的準(zhǔn)確空間坐標(biāo)[1]，為實(shí)物數(shù)字化提供了快捷、精確及方便的手段，對(duì)科研教學(xué)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新及生產(chǎn)制造提供數(shù)據(jù)支撐。

三維掃描儀的光源一般為激光。激光以其單色性、亮度高、發(fā)散小等優(yōu)點(diǎn)成為早期三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的首選光源。第一代三維激光掃描系統(tǒng)采用激光光點(diǎn)進(jìn)行掃描，但單一激光光點(diǎn)掃描速度非常慢。隨著光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，目前采用 7線、14 線甚至更多激光線的產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，掃描速度有了質(zhì)的飛躍。最新的掃描儀的光源激光為藍(lán)色激光。藍(lán)光的波長(zhǎng)更短，并且光源為L(zhǎng)ED冷光源，光源能耗更低，抗干擾能力強(qiáng)，以及對(duì)環(huán)境要求低、不需噴粉等特點(diǎn)[2]，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

三維掃描儀可以實(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[3]。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。這種檢測(cè)方法廣泛應(yīng)用于鑄造件、工裝夾具、模具、鈑金件、塑模、汽車零配件、裝配件等幾何尺寸測(cè)量、形位公差檢測(cè)等。

三維掃描原理

三維掃描原理如圖1所示，是基于三角測(cè)量法：用一束激光以某一角度聚焦在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用 CCD（圖像傳感器）光電探測(cè)器測(cè)出光斑像的位置，就可以計(jì)算出主光線的角度θ。然后結(jié)合己知激光光源與 CCD 之間的基線長(zhǎng)度d，經(jīng)由三角形幾何關(guān)系推求掃描儀與物體之間的距L≈dtanθ。

圖1 三角測(cè)量法原理

應(yīng)用分析

本次以汽車駕駛艙左車門為例，對(duì)其內(nèi)板總成進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)分析。在還沒有三維掃描檢測(cè)介入前，車門的檢測(cè)高度依賴檢具。圖2為車門檢具檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 車門檢具

車門檢具的檢測(cè)過程如下：

（1）產(chǎn)品定位 打開檢具所有壓鉗、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將產(chǎn)品基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)檢具基準(zhǔn)（A1-A14、B1-B2、C1-C2）輕放入檢具中。然后壓緊所有壓鉗，此時(shí)檢具處于工作狀態(tài)。若產(chǎn)品基準(zhǔn)面與檢具基準(zhǔn)面貼合牢靠，無晃動(dòng)，則產(chǎn)品放入合格，再進(jìn)行以下檢測(cè)。車門基準(zhǔn)如圖3所示。

圖3 車門基準(zhǔn)示意

（2）產(chǎn)品檢測(cè) 使用面檢銷、通止規(guī)（見圖4）檢測(cè)產(chǎn)品與模擬塊、卡板間隙，若通止規(guī)通端通且止端止則產(chǎn)品合格，反之不合格。使用面差規(guī)±0.8檢測(cè)產(chǎn)品零位面（模擬塊刻0線位置），若通端能通且止端能止則檢測(cè)合格，反之不合格。將J1、J2檢測(cè)銷插入對(duì)應(yīng)位置檢測(cè)產(chǎn)品孔徑，若檢測(cè)銷能順利插入則產(chǎn)品孔合格，反之不合格。若檢測(cè)合格，則換用J1、J2劃線銷在產(chǎn)品上劃線，目視劃痕，若劃痕在公差帶范圍內(nèi)則產(chǎn)品合格，反之不合格。

圖4 面檢銷、通止規(guī)

這種傳統(tǒng)檢測(cè)方式存在一些缺陷：檢具因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)的磨損，需經(jīng)常修復(fù)，該修復(fù)過程非常復(fù)雜，難度較高，這個(gè)工作需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員擔(dān)任，可以看出這種方法耗時(shí)耗力，且成本也較高。另一個(gè)較大的不便就是，這種檢測(cè)方式只能判斷車門產(chǎn)品有沒有達(dá)到生產(chǎn)要求，無法將產(chǎn)品的不良以數(shù)值的形式呈現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品回爐無法提供有用的修改建議。

數(shù)字化檢測(cè)過程

本次用到手持式掃描儀，如圖5所示。以非接觸的方式對(duì)物體輪廓進(jìn)行快速測(cè)量已成為新常態(tài)。這種非接觸式測(cè)量不會(huì)造成被測(cè)物體表面損傷或變形，并且避免了三坐標(biāo)測(cè)量中測(cè)頭位移傳感所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體表面輪廓和特征進(jìn)行快速和精準(zhǔn)掃描[4]。通過計(jì)算機(jī)對(duì)掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，可構(gòu)建出被測(cè)物體的三維模型，這是一般測(cè)量手段無法實(shí)現(xiàn)的。

圖5 手持式掃描儀

下面詳細(xì)闡述通過三維掃描得到車門檢測(cè)結(jié)果的過程。

1.儀器校準(zhǔn)

一般的三維掃描儀器都有其校準(zhǔn)步驟，各種品牌的校準(zhǔn)方式各有不同，但原理大致相同。通過掃描儀掃描固定距離的校準(zhǔn)物品，然后將掃描的結(jié)果與校準(zhǔn)文件比較，得到偏移量的均方根值即校準(zhǔn)值。如果這個(gè)校準(zhǔn)值符合規(guī)定值，則校準(zhǔn)成功，掃描儀可正常使用。通常，掃描儀經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間未使用，或者經(jīng)過顛簸，則必須做校準(zhǔn)。

（1）追蹤儀校準(zhǔn) 按要求連接好掃描儀的各種線路，選用的手持式掃描儀的校準(zhǔn)分兩部分，首先要做追蹤儀的校準(zhǔn)。手持校準(zhǔn)棒，走到要求的位置，并擺放到特定的姿勢(shì)，如圖6所示。

圖6 追蹤儀校準(zhǔn)

（2）掃描頭校準(zhǔn) 手持掃描儀擺放到校準(zhǔn)板上指定的位置，如圖7所示。

圖7 掃描頭校準(zhǔn)

2.掃描工件

在追蹤儀能觀察到掃描儀的前提下，保持掃描儀與物體一定距離，勻速移動(dòng)掃描頭。追蹤儀觀察掃描儀的定位目標(biāo)陣列，通過三角測(cè)量，軟件能夠確定掃描儀在空間中的位置，通過觀察投影到物體表面上的激光線來完成表面采集。激光掃過表面后，設(shè)備根據(jù)三角測(cè)量法確定的表面位置并記錄數(shù)據(jù)。如圖8所示，為現(xiàn)場(chǎng)掃描。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)掃描

激光線在部件上的可見度是數(shù)據(jù)采集成功與否的關(guān)鍵因素。激光線的可見度受顏色和材料類型影響。反射率高的部件易產(chǎn)生鏡面效應(yīng)，導(dǎo)致難以讀取部件上的激光線。黑色會(huì)吸收光線，也會(huì)因缺乏對(duì)比度而導(dǎo)致激光線難以讀取。通過調(diào)整快門參數(shù)可抵消黑色、反射和透明物體的影響。本次測(cè)量的車門表面為銀白色，且有些反光，應(yīng)調(diào)節(jié)中等強(qiáng)度的激光線進(jìn)行掃描。

通過以上的掃描過程，可以得到車門的三維模型，如圖9所示。該模型為網(wǎng)格文件，尺寸和實(shí)物為1：1。通過以上過程，車門的表面數(shù)據(jù)基本都采集下來了。

圖9 掃描數(shù)據(jù)

3.數(shù)字化檢測(cè)

用檢具檢測(cè)車門是否合格，完全依賴檢具是否正常，而檢具因?yàn)槟p，需要經(jīng)常修補(bǔ)，導(dǎo)致車間生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)遲滯。測(cè)量效率低且測(cè)量值存在較大誤差。

而應(yīng)用三維掃描數(shù)字化檢測(cè)就可以很方便地做到3D偏差比較、2D偏差比較、3D尺寸測(cè)量、2D尺寸測(cè)量、形位公差測(cè)量等，功能齊全。

創(chuàng)建3D色譜偏差圖。將得到的掃描數(shù)據(jù)（網(wǎng)格文件）導(dǎo)入檢測(cè)軟件，再將車門的設(shè)計(jì)圖紙（實(shí)體文件）導(dǎo)入檢測(cè)。此時(shí)這兩個(gè)文件不在同一坐標(biāo)，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算將網(wǎng)格文件按照特征與實(shí)體文件最佳擬合對(duì)齊，再根據(jù)車門的基準(zhǔn)對(duì)齊。選擇偏差色譜圖命令，調(diào)節(jié)公差范圍，就可以直觀地看到生產(chǎn)出來的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖紙的表面偏差[5]。圖10所示為車門的偏差色譜圖 。

圖10 色譜偏差圖

觀察色譜偏差圖，就可很直觀地看出面罩的整體表面質(zhì)量。綠色區(qū)域表示面罩表面在控制公差范圍內(nèi)，合格；紅色區(qū)域表示超出公差范圍，面罩表面有凸起形變；藍(lán)色區(qū)域表示面罩表面有凹陷形變。根據(jù)這些信息提示，為返工提供依據(jù)。

結(jié)語

本文從前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等主要步驟出發(fā)，提出了基于手持式三維激光掃描儀的工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)方法；并利用實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法在工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)中的精度和效率，為快速低成本的工業(yè)構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)提供了思路。通過本次應(yīng)用分析，可見三維掃描數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）非接觸測(cè)量，不容易受環(huán)境影響。

2）全尺寸檢測(cè)，數(shù)據(jù)采樣率高，掃描速度快。

3）高分辨率、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確分析任意位置偏差。

4）數(shù)字化采集、兼容性好，后期處理及輸出簡(jiǎn)單。

5）檢測(cè)項(xiàng)目齊全，檢測(cè)數(shù)據(jù)可溯性強(qiáng)。

本次三維掃描數(shù)字化檢測(cè)用于汽車車門，得到了想要的檢測(cè)結(jié)果。縱觀整個(gè)汽車行業(yè)，存在著大量的工件檢測(cè)需求，而傳統(tǒng)檢測(cè)方式無法有效解決，但三維掃描數(shù)字化檢測(cè)可以補(bǔ)充這一空缺，三維掃描與這一行業(yè)的結(jié)合會(huì)更加深入，更多的應(yīng)用場(chǎng)景等待著這一技術(shù)去開拓。