三維激光檢測技術在異型沖壓件檢測中的應用

黃華椿 黃 增 岑賢生 張麗麗 賓小林

（1.廣西機電職業技術學院，南寧 530007；2.廣西云動能信息科技有限公司，南寧 530000； 3.廣西泰瑞科技有限公司，柳州 545006）

汽車沖壓件主要用于車身結構，具有生產批量大和尺寸精度要求高的特點[1]。在沖壓過程中，異型沖壓件受到拉伸載荷和壓縮載荷的雙重作用，普遍會出現結構變形和回彈現象。傳統測量方法通過專用檢具進行檢測，然而當前常用的專用檢具與零件是一對一使用，即一個零件需制作對應的專用檢具。此外，專用檢具因自身存在制造誤差，難以對復雜異型沖壓件的所有尺寸進行高精度檢測。若沖壓件尺寸出現較大偏差，將會導致后續裝配困難，出現裝配尺寸檢驗不合格問題，嚴重時甚至會導致零件報廢[1]。沖壓件主要依靠沖壓模具成型，模具開發初期投入成本較高，因此檢測精度會嚴重影響模具的開發成本。

三維激光掃描儀的出現解決了專用檢具存在的一些固有缺陷的問題。三維激光掃描技術具有掃描速度快、獲取信息量大、精度高、實時性強以及可在復雜環境中測量等優點，克服了傳統測量儀器的局限性，成為直接獲取目標零件三維數據并實現三維可視化的重要手段。國內外學者們對三維檢測技術在工程上的應用與改良開展了很多研究[2]。例如：馬玉瓊等提出了一種針對薄壁類零件的三維數據測量方法，利用激光掃描設備先完成點云數據獲取，再使用標志點輔助法對兩面過渡區域進行拼接，最終實現了整體點云數據的收集和處理[3]；閆玉蕾等以葉片為例進行復雜曲面的數據采集、點云處理和比對檢測實驗[4]；郝華東等針對傳統測量方法存在的準確度低、檢測速度慢等問題，提出了一種基于結構光三維掃描技術的小尺寸軸類零件同軸度精密測量方法[5]；漆中華等提出了一種適用于碳纖維薄壁件的三維激光逆向掃描快速測量技術[6]。

上述學者們的研究成果均表明了三維激光掃描檢測技術在復雜薄壁零件檢測中具有較高的工程應用價值。但是，汽車上使用的復雜異型沖壓件存在曲面復雜和厚度較薄的特點，且具有金屬的表面反光特性，按照以往的三維掃描儀采集點云數據時需對被測件表面進行亞光處理，易造成零件的二次破壞。此外，薄壁類零件需要過渡面才可以完成點云數據拼接。因此，文章提出了一種三維激光掃描成型檢測方法，只需要一個精度足夠的三維激光掃描儀和配套的點云數據采集軟件，便可代替專用檢具對異型沖壓件進行點云數據的采集與重構成型，被測件表面無須進行亞光處理，且不受空間和環境影響，不受沖壓件復雜結構的影響。

1 檢測方法與案例試驗

激光掃描儀是三維檢測技術的核心部件之一，主要用于對異型沖壓件進行點云數據采集，具有自定位配準、攜帶方便以及空間限制低等優點[7]。研究中，掃描儀的激光光源采用14條藍色激光線，另有1條掃描深孔和額外5條掃描細節。研究提出的三維激光檢測技術主要通過掃描儀的雙目視覺測量原理和三角測距原理確定待測零件的位置并記錄數據。為了驗證三維激光檢測方法檢測復雜異型沖壓件的可行性與準確性，以某汽車異型沖壓件為例進行試驗測試。

1.1 雙目視覺測量原理

待測零件的空間坐標無論在哪個參照下都是唯一確定的。因此，在采集點云數據前須對攝像機進行標定，確定兩個攝影機的空間相對位置，并使之在同一參考坐標系下處理圖像。雙目視覺測量的核心邏輯是通過兩眼的視差來計算待測目標零件的三維信息，即仿照動物的眼睛通過不同角度的兩幅二維圖像獲取待測零件的三維空間信息[8]。如圖1所示，空間中有一點P在左攝像機上對應的點為P1，通過單個攝像機的標定可以得到左攝像機的內參和外參，但是并不能得到P點在攝像機坐標系下的空間位置Z，只知道P點在O1P直線上。同理，在右攝像機上也只能得到P點是在O2P直線上。至此，只需找到O1P和O2P這兩條直線的相交點，便可求解出P點在攝像機坐標系下的空間位置Z。如果要求解該交點，需把這兩條直線放到同一個參考系下。要獲取左右兩個攝像機參考系的空間位置，需在同一個參考系下處理圖像是立體標定的工作[9]。

圖1 雙目視覺測量原理圖

1.2 三角測距原理

三角測距法是基于三角形中的幾何關系求解掃描中心到掃描目標的距離。三角測距示意圖和幾何關系圖如圖2和圖3所示。激光發射器發射激光照射到目標表面，激光在目標處發生反射，一部分反射激光經棱鏡并在光探測設備上成像。發射點、目標點和接收點構成一個三角形，即三角形ΔPAO∽ΔOCB。

圖2 三角測距示意圖

圖2 三角測距中的幾何關系圖

三維激光檢測技術利用激光掃描儀的雙目視覺測量原理和三角測距原理，通過投影到表面的多對交叉藍色激光線，完成復雜異型沖壓件的表面點云數據的抓取。在獲取點云數據后，配套軟件實時生成三角網格面片，直接拼接成實物模型。此外，可以根據被測件的精度需要調節分辨率的大小，從而縮短點云自動匹配迭代運算的時間[10]。

1.3 沖壓件檢測前的處理

研究選取某一汽車異型沖壓件作為試驗對象。首先，零件表面要去除毛刺，去污除銹，清洗干凈，確保零件表面干凈[11]。其次，在沖壓件正反表面均勻粘貼特征標志點，且要錯開曲率大的表面和邊界特征。貼好標志點的沖壓件，如圖3所示。最后，在被檢零件放置平面粘貼標志點。這些標志點的采集主要是為了掃完正面后過渡到反面的坐標轉換和平移，如圖4所示。

圖3 待測沖壓件正反表面標志點粘貼圖

圖4 待檢件放置平面周圍粘貼標志點分布圖

1.4 檢測流程

三維激光檢測的操作流程如下。

（1）采用廠家配套的標定板對掃描儀進行標定，標定完成后掃描零件，如圖5所示。

圖5 廠家配套的標定板實物圖

（2）掃描采集完圖6上所有的標志點并保存，確定各標志點的坐標位置，后續用于坐標系的軸向平移和旋轉變換。

圖6 掃描沖壓件正反兩表面所有標定點分布圖

（3）完整掃描出正表面的點云數據，配套軟件可根據表面點云數據實現自定位匹配，獲取正表面完整的點云數據，如圖7（正面）所示。

（4）從正面過渡到反面的數據采集。試驗選取的沖壓件料厚度約為1.2 mm。這種薄壁件類型的沖壓件無中間過渡面，正反兩面之間無法直接識別拼接。因此，需要借助配套系統的自定位功能，通過系統已保存第一步掃描的標志點位置信息實現面過渡，待轉換成功后采集完整的反面點云數據，如圖7（反面）所示。

圖7 沖壓件正反兩面的點云數據采集結果圖

（5）待測沖壓件的正反兩面點云數據采集完成后，經過三角網格面片重構表面結構，刪除多余點云、降噪、補洞以及平滑處理后擬合形成實物模型，最終導出.stl格式文件備用[11]。

2 試驗結果分析與討論

通過激光掃描儀采集完待測沖壓件表面點云數據和通過三角網格擬合求得精確的數據模型后，把實物模型和設計模型分別導入Geomagic Control軟件，經過最優擬合后對實物模型與設計模型進行對比，設定好基本偏差參數后，從3D色譜圖中觀察到各個實物模型各曲面與設計模型偏差情況，還可觀察到是否有回彈現象。按待測沖壓件的測量計劃，可快速獲取3D被測要素，最終得到待測沖壓件各結構位置的偏差情況。

如圖8所示，不同顏色分別代表了不同的尺寸偏差。其中：紅色代表正偏差+0.5 mm，藍色代表負偏差-0.5 mm；以綠色為基準，越趨近純紅色/純藍色的顏色區域，表明其偏差越大，綠色和紅色/藍色之間的各色階代表處于（0～0.5 mm）/（-0.5～0 mm） 的偏差范圍。除了通過顏色直接觀測偏差情況之外，還可進行關鍵位置的偏差值測量[12]。表1是圖8各型面檢測位置A001～A009的檢測結果。

表1 檢測各型面對應的偏差值分析表

試驗共對該異型沖壓件的38個面進行檢測，3D檢測結果偏差分布如圖9所示。

圖9 3D檢測結果偏差分布圖

通過柱狀圖可以清晰知曉，實體模型約50%的型面偏差均在±0.1 mm，除了0.394 2%超過+0.5 mm 公差范圍，其他偏差均在公差±0.5 mm要求范圍內。正差在色譜圖中是紅色顯示，故其偏差位置是3D色譜圖中深紅色的部位。

為了進一步驗證三維激光檢測方法的準確性，對該待測沖壓件的某一截面進行2D尺寸檢測，并對其變形的截面進行檢測。實測模型與設計模型某截面2D尺寸檢測圖，如圖10所示。表2為檢測該截面檢測位置A001～A006的檢測結果。

表2 某2D截面對應的偏差值分析表

圖10 實測模型與設計模型某截面2D尺寸檢測圖（單位：mm）

3 結語

為了驗證三維激光檢測方法在檢測復雜異型沖壓件上的可行性與準確性，以某汽車異型沖壓件為例進行試驗。試驗結果顯示：該方法用于復雜異型沖壓件得到的測試結果與檢具測試結果基本一致；工作效率方面，該方法只需幾分鐘便可完成大型復雜零件的點云數據采集與重構成型，與專用檢具相比，效率提高約30%；檢測精度方面，該方法檢測得到的模型精度與實物偏差高達0.02 mm，是專用檢具無法比擬的；對于專用檢具難以檢測的復雜結構，三維激光檢測方法可以直接通過色譜圖精準觀測模型偏差，判斷該沖壓件的回彈位置，檢測2D、3D尺寸和形位公差的檢測。研究表明，三維激光檢測方法完全可以滿足對復雜異型沖壓件的檢測要求，檢測效果優于專用檢具。后續將結合工業機器人開展將其應用于自動產線上的三維激光檢測和在機床上實現加工實時在線三維激光檢測等的相關研究。