李曉云，王浩

摘? 要：本文從系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)車身及零部件測量的主流。隨著光電技術的發(fā)展，光學測量系統(tǒng)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(fā)展趨勢。尤其在汽車車身尺寸檢測領域，已經由傳統(tǒng)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(tǒng)的接觸式測量相比，光學測量有著明顯的技術優(yōu)勢和效率提升。光學測量效率更高，通過快速拍照掃描，實現(xiàn)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(shù)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(tài)對比。光學測量測量數(shù)據可追溯，由于接觸式測量的數(shù)據是離散的，因此只能對過往測量數(shù)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(shù)據的分析更加便利，可以實現(xiàn)諸如增加測量點、重新擬合坐標系等接觸式測量無法實現(xiàn)的功能。[1]

2? ? 自動化三維激光測量系統(tǒng)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(wěn)定、振動、溫度變化等）下，保持較高的精度，對環(huán)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(xiàn)場使用。

2.1? ?自動化三維激光測量系統(tǒng)組成以及工作原理

自動化三維激光測量系統(tǒng)由工業(yè)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(shù)據分析處理系統(tǒng)和數(shù)據存儲、共享系統(tǒng)組成，其工作原理如圖2所示?？刂破骺刂乒I(yè)機器人掃描設備的運動軌跡、姿態(tài)和掃描速度并將掃描設備輸出的原始點云數(shù)據轉換成三角化模型傳遞到數(shù)據分析系統(tǒng)中，數(shù)據分析系統(tǒng)將工件掃描數(shù)據結合測量計劃，生成工件測量報告，上傳至測量數(shù)據存儲、共享系統(tǒng)，供相關區(qū)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(tǒng)測量流程及其影響因子

自動化三維激光測量系統(tǒng)的測量由5個步驟組成：導出被測工件數(shù)模->離線模擬編程->在線機器人示教->測量要素分析檢查->優(yōu)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(yōu)化測量結果。

在自動化測量過程中，工業(yè)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(tǒng)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(shù)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(shù)據完整性，并根據需要調整軌跡參數(shù)。

3? ? 用于白車身測量的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)精度和重復性驗證

在一個光學測量系統(tǒng)中，除了測量設備的精度之外，測量支架，基準系統(tǒng)，掃描數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)優(yōu)化

在同一環(huán)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(wěn)定性較差。針對這些極差大的測量特征，進一步研究優(yōu)化測量方案。

3.3.1 螺母孔特征優(yōu)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(shù)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(shù)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(jié)省成本）或單側球（提升效率）方式。

3.3.2 包邊、切邊特征優(yōu)化研究

如圖9所示，包邊特征掃描時也存在數(shù)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(shù)據。正反45°和正對包邊掃描可以獲取完整的掃描數(shù)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(yōu)化后系統(tǒng)精度和重復性驗證

通過對所有測量特征精度的分析，優(yōu)化機器人運行軌跡和掃描速度，重新驗證測量系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)組成、掃描設備組成、測量流程等方面詳述了這個測量系統(tǒng)。并對測量設備自身的測量精度、重復性和整個測量系統(tǒng)的測量精度和重復性做了驗證?？偨Y歸納出一些精度提升的方案在一個光學測量系統(tǒng)中，除了測量設備的精度之外，測量支架，基準系統(tǒng)，掃描數(shù)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(shù)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(jiān)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(shù)據處理及誤差分析[J].科技創(chuàng)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(yè)于西南交通大學材料科學與工程學院，本科學歷，現(xiàn)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(tǒng)的開發(fā)應用。已發(fā)表文論1篇，實用型專利2項。