濮林，華亞俊，楊斌（揚(yáng)州江淮宏運(yùn)客車有限公司，江蘇揚(yáng)州225200）

基于Ge o m a g ic Qu a lify軟件的客車夾具偏差檢測技術(shù)

濮林，華亞俊，楊斌
（揚(yáng)州江淮宏運(yùn)客車有限公司，江蘇揚(yáng)州225200）

通過對某款客車地板附件夾具進(jìn)行兩次三維數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用Geomagic Qualify軟件，把兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊、3D比較、2D測量，得出偏差位置和偏差量，為后續(xù)夾具修整提供依據(jù)。

客車夾具；偏差檢測；Geomagic Qualify軟件

現(xiàn)代客車生產(chǎn)過程中，為達(dá)到客車的制造精度，已經(jīng)廣泛采用各類焊裝夾具，而夾具的檢測仍然采用傳統(tǒng)的手工測量方式，如卷尺、剛尺、靠尺、塊規(guī)等，工作效率不高，檢測精度一般[1]。因此，如何有效檢測夾具，保持夾具的焊接可靠性是保證客車整車精度的必要前提。

本文通過采用Handyscan手持式自定位三維掃描儀，發(fā)射15條激光線來采集某款客車地板附件夾具表面的三維數(shù)據(jù)，利用掃描軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到較完整的三維數(shù)據(jù)模型，最后應(yīng)用Geomagic Qualify軟件將測量數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合對齊及3D、2D比對分析，快速有效地得出夾具偏差位置和偏差量，為后期夾具修整工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 三維掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)根據(jù)測量結(jié)果的不同方式，可以分為接觸式測量和非接觸式測量。其中，接觸式測量通過測頭與模型表面接觸實(shí)現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的獲??；非接觸式測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。非接觸式測量以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段，如激光三角法、結(jié)構(gòu)光法、CT掃描等。

手持式激光掃描儀是基于三角測距法原理對實(shí)物表面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，該方法數(shù)據(jù)采集速度快且是目前應(yīng)用最廣泛的非接觸式測量。手持式激光掃描儀的操作步驟包括：貼標(biāo)記點(diǎn)、掃描實(shí)體、獲得數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)、輸出點(diǎn)云[2-3]。本文采用非接觸式的Handyscan三維測量系統(tǒng)對某款客車地板附件工裝夾具進(jìn)行掃描。

1.2 Handyscan的原理與測量

Handyscan手持式自定位三維掃描儀系統(tǒng)主要由掃描儀、電源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件輔助系統(tǒng)三部分組成，包括：手持式掃描頭、電源適配器、數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)線、精度校準(zhǔn)板、工作站、VXElement掃描軟件、定位標(biāo)點(diǎn)等。其中的關(guān)鍵設(shè)備是掃描頭，掃描頭的相機(jī)部分可用于查看點(diǎn)和接受激光，其中的8個(gè)LED發(fā)光點(diǎn)可屏蔽外界的干擾。掃描頭是系統(tǒng)輸入的開始，相機(jī)部分負(fù)責(zé)拍攝工件照片，并將其送入到工作站，通過掃描軟件進(jìn)行圖像處理和被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)的計(jì)算。

Handyscan測量系統(tǒng)的測量過程（見圖1）是通過相機(jī)追蹤工件上的標(biāo)志點(diǎn)來進(jìn)行的，掃描時(shí)2個(gè)相機(jī)需垂直于所掃標(biāo)志點(diǎn)或板面進(jìn)行工作。十字激光發(fā)射口會發(fā)射多道交叉的紅色十字II級激光，手持掃描儀進(jìn)行掃描時(shí)，不要擋到激光發(fā)射口，保證掃描指示燈呈綠色為宜。在進(jìn)行測量時(shí)，只要相機(jī)能夠追蹤到3個(gè)以上的標(biāo)記點(diǎn)，系統(tǒng)就可以立刻解算出標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)時(shí)性非常高，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)追蹤和測量[4]。

圖1 Handyscan三維掃描儀的測量應(yīng)用

為有效地獲得客車焊接夾具的使用變形情況，本文針對某款客車地板附件工裝進(jìn)行了兩次三維掃描和數(shù)據(jù)采集，時(shí)間分別是2016年7月和2017年1月。為縮短數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及減少數(shù)據(jù)量，只針對夾具的有效工作范圍（夾具部分）進(jìn)行了采集。數(shù)據(jù)采集所使用的設(shè)備和軟件分別是Creaform公司的Handyscan700三維掃描儀和VXelements掃描軟件，輸出數(shù)據(jù)格式為STL。

2 Geomagic Qualify軟件應(yīng)用

2.1 Geomagic Qualify系統(tǒng)介紹

Geomagic Qualify是一款可加快流程速度、而且可以進(jìn)行深入分析并確?？芍貜?fù)性的自動檢測軟件，它建立了CAD和CAM之間所缺乏的重要聯(lián)系紐帶，從而實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化的制造環(huán)境。允許在CAD模型與實(shí)際構(gòu)造部件之間進(jìn)行快速、明了的圖形比較。Geomagic Qualify可用于首件檢驗(yàn)、線上檢驗(yàn)或車間檢驗(yàn)、趨勢分析、2D和3D幾何測量以及自動報(bào)告等。其檢測的一般流程為：首先，獲取參考模型和測試模型；然后，將測試模型與參考模型進(jìn)行對齊比較；最后，對比較結(jié)果進(jìn)行分析并得出報(bào)告[5-7]。

在本文中，首次嘗試將其應(yīng)用于客車焊接夾具的前后使用變化的數(shù)據(jù)檢測，將其中第一次掃描數(shù)據(jù)作為參考模型，第二次掃描數(shù)據(jù)作為測試模型。

2.2 掃描數(shù)據(jù)的優(yōu)化

因?yàn)閮纱螔呙璧臄?shù)據(jù)模型有很多雜點(diǎn)，所以在進(jìn)行比對分析前需對參考模型和測試模型進(jìn)行分析并優(yōu)化，主要通過系統(tǒng)中多邊形菜單下的網(wǎng)格醫(yī)生、松弛、減少釘狀物等命令來進(jìn)行優(yōu)化（見圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化

2.3 數(shù)據(jù)模型的對齊

Geomagic Qualify的對齊方式主要有N點(diǎn)對齊和最佳擬合對齊。N點(diǎn)對齊是基于特征對齊的一種，它指的是用戶通過定義圓柱、槽、孔、面和邊定義的平面、軸和點(diǎn)等整車特征，然后匹配或配對這些基準(zhǔn)和特征執(zhí)行對齊，較適合規(guī)則形狀的模型，但此種對齊方式產(chǎn)生的夾具偏差比較大。最佳擬合對齊不要求用戶定義特征，軟件在兩個(gè)對象間自動最佳擬合對齊，較適合于不規(guī)則的模型，此種對齊方式夾具的綜合偏差最小，其原理是系統(tǒng)后臺自動分析計(jì)算綜合最小偏差得出的對齊結(jié)果。

因?yàn)槟Ｐ驮趻呙钑r(shí)，其空間坐標(biāo)是隨機(jī)的，所以導(dǎo)入到Geomagic Qualify軟件中位置比較混亂，因此兩個(gè)模型之間的偏差分析必須要進(jìn)行預(yù)對齊后方可進(jìn)行。本文中兩者之間的預(yù)對齊采用N點(diǎn)（3點(diǎn)）對齊方式，把兩者空間位置調(diào)整得基本重合。如果不先預(yù)對齊，最佳擬合對齊時(shí)間較長。在預(yù)對齊后再利用最佳擬合對齊方式進(jìn)行精準(zhǔn)對齊，時(shí)間很短。

2.4 對齊效果3D分析

對最佳擬合對齊后的效果進(jìn)行3D分析，通過實(shí)際需求設(shè)置最大，最小臨界值和最大、最小名義值后即可得出3D比較結(jié)果及偏差色譜圖（本次測試臨界值設(shè)置為± 1 mm，名義值設(shè)置為±10 mm），它整體呈現(xiàn)了測試模型相對于參考模型的偏差值，紅色代表正偏差，藍(lán)色代表負(fù)偏差，綠色代表偏差值在設(shè)置的臨界值內(nèi)（見圖3）。

圖3 3D比較偏差色譜圖

通過3D分析可以整體直觀地看出兩次夾具數(shù)據(jù)模型之間的偏差。然后通過對焊接夾具上的各個(gè)定位點(diǎn)和定位面進(jìn)行偏差注釋，可以快速、精確地得到各個(gè)點(diǎn)、面的偏差值，再結(jié)合設(shè)置的臨界偏置值自動判斷出點(diǎn)面的通過情況（圖4下表格數(shù)據(jù)顯示為每個(gè)位置點(diǎn)測試模型對比參考模型的偏差值是否在之前設(shè)置好的臨界值范圍內(nèi)（±1 mm）的通過情況，在臨界值范圍內(nèi)狀態(tài)顯示通過，不在范圍內(nèi)顯示失敗），以此得出焊接夾具前后使用過程中的變形點(diǎn)和變形量（圖4中紅橙色與藍(lán)色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^失敗區(qū)域，綠色為通過區(qū)域）。

圖4 3D比較偏差注釋圖

2.5 對齊效果2D比較

通過對齊效果3D分析中的偏差色譜圖（前后兩次夾具的變形情況，綠色表示合理范圍，非綠色表示超出設(shè)置臨界偏差值范圍即不合理范圍），可以很直觀的發(fā)現(xiàn)焊接夾具的變形點(diǎn)（圖5～圖7中的非綠色區(qū)域），此地板附件夾具的主要變形點(diǎn)集中在中間定位塊處（圖5～圖7中的紅橙色區(qū)域），此時(shí)再通過2D比較命令對變形位置區(qū)域利用直線進(jìn)行橫截面剖切（圖5剖切線），得出變形位置處的2D曲線（一條為參考模型的，一條為測試模型的），同時(shí)對變形點(diǎn)進(jìn)行判斷和注釋，得出變形點(diǎn)的最大偏差數(shù)據(jù)（圖6下表格中可以看出變形點(diǎn)距離偏差的最大值為+6.862 2 mm）。

圖5 3D比較偏差色譜圖（俯視圖+剖切線）

圖6 2D曲線偏差注釋圖（距離偏差）

圖7 截面2D曲線圖

接著對最佳擬合對齊后的對齊模型利用貫穿對象截面命令，可以得出截面處的2D曲線圖（圖7），接著對2D曲線圖中的變形點(diǎn)的偏差角度進(jìn)行測量，得出兩次定位塊角度偏差，同時(shí)根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置上下限參數(shù)，得出各點(diǎn)的通過情況（圖8下表格中可以看出角度偏差的最大值為+11.312 7°）。同理可以得出其他非綠色通過區(qū)域（即變形區(qū)域）的偏差值。

圖8 2D曲線測量注釋圖（角度偏差）

通過本次3D分析與2D比較可以得出：夾具使用中的主要變形處集中在中間定位塊處；中間定位塊的最大偏差值分別為+6.862 2 mm（距離偏差）和+11.312 7°（角度偏差）。

最后，對上述各步驟的對比分析結(jié)果可自動生成報(bào)告文件，文件格式包括PDF，WORD，HTML，EXCELE等多種格式，以便部門之間數(shù)據(jù)共享，其明顯的特點(diǎn)是PDF格式的報(bào)告文件可以進(jìn)行3D瀏覽，給會議演示提供了便利。報(bào)告文件格式可以根據(jù)企業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行編輯，使之符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化要求[8]。

3 結(jié)束語

目前客車企業(yè)中三維掃描儀和Geomagic Qualify系統(tǒng)還未被廣泛應(yīng)用，但客車生產(chǎn)逐漸乘用車化是大趨勢，在此轉(zhuǎn)變過程中客車急需通過整車精度的提升來實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和裝配的精細(xì)化，而整車精度的提升化必然要通過焊接夾具來保證[9-10]。本文通過應(yīng)用三維掃描儀和Geomagic Qualify檢測軟件對客車焊接夾具進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和對比分析，結(jié)果表明在現(xiàn)代客車企業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用上述方法可以替代傳統(tǒng)測量手段快速、有效的得出焊接夾具的變形位置和變形量，為后期夾具修整提供參考。

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修改稿日期：2017-05-31

Detection Technology of Bus Fixture Deviation Based on Geomagic Qualify Software

Pu Lin,Hua Yajun,Yang Bing
（Yangzhou JianghuaiHongyun Bus Co.,Ltd,Yangzhou 225200,China）

By the two times collection of3Ddata ofa bus flooraccessories fixture,the authors use Geomagic Qualify software to align the two times collected data,make 3D comparison and 2D measurement.Finally,they obtain the deviation position and the deviation amount,which can be used as the basis ofthe fixture finishing.

bus fixture;deviation detection;Geomagic Qualify software

U469.1

B

1006-3331（2017）04-0059-04

濮林（1988-），男，碩士；主要從事工藝技術(shù)方面的研究工作。