激光掃描儀在測量車身間隙面差中的應(yīng)用

高鈺

激光掃描儀在測量車身間隙面差中的應(yīng)用

高鈺

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

車身間隙影響車輛的密封性，進(jìn)而影響車身振動(dòng)噪聲及防風(fēng)雨性能。傳統(tǒng)人工檢測耗時(shí)長，無法滿足在線測量的需求，因此現(xiàn)在整車制造廠正在采用激光掃描儀來測量車身的間隙面差以代替人工測量，文章介紹了激光掃描儀的測量原理以及間隙面差的計(jì)算方法，并在實(shí)際案例中對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行了分析。

激光測量；間隙面差；白車身；尺寸測量

1 前言

汽車的車身主要由車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)部件組成，車身覆蓋件主要通過沖壓的方式形成。由于在對(duì)覆蓋件進(jìn)行沖壓時(shí)存在誤差，因此在汽車組裝的過程中面板之間的間隙和面差值往往不符合設(shè)計(jì)要求，車身的間隙影響著車輛的密封性，進(jìn)而影響車身振動(dòng)噪聲及防風(fēng)雨性能[1]，同時(shí)面差對(duì)車身輪廓曲線有重大的影響，盡可能小的面差會(huì)使車身外形輪廓曲線更加光順。因此，檢測車身的間隙面差具有重要的意義。傳統(tǒng)的車身間隙檢查方法主要包括機(jī)械接觸測量和三坐標(biāo)測量機(jī)測量[2]。機(jī)械接觸式測量精度低且采樣率低，三坐標(biāo)測量機(jī)測量既繁瑣又費(fèi)時(shí)。此外，機(jī)械測量方法要與車身接觸，易對(duì)汽車的表面造成損傷。同時(shí)，這些方法并不能滿足在線檢查的要求。

隨著基于計(jì)算機(jī)視覺的測量技術(shù)迅速發(fā)展，激光掃描儀憑借非接觸、測量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)正被廣泛地應(yīng)用于車身間隙面差的在線測量中，本文將會(huì)介紹激光掃描儀測量間隙面差的原理以及相關(guān)的應(yīng)用。

2 激光掃描儀的測量原理

測量間隙面差的激光掃描儀包括手持式設(shè)備和在線式設(shè)備，目前正被越來越多地運(yùn)用于汽車制造過程中。這些設(shè)備由攝像機(jī)和激光發(fā)生器組成，激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光通常是線激光。如圖1所示，對(duì)于手持式測量設(shè)備，通過將設(shè)備手動(dòng)移動(dòng)到被測物體上方，并在規(guī)定的測量距離和角度內(nèi)進(jìn)行測量。對(duì)于在線測量（如圖2所示），將激光掃描儀固定到機(jī)器人的六軸上，在線測量系統(tǒng)可以提供高精度的測量結(jié)果，測量精度為±100μm。

圖1 手持式激光掃描儀

圖2 在線式激光掃描儀

線激光掃描儀通過激光發(fā)生器發(fā)射一條線激光到待測物體表面，攝像頭根據(jù)固定的角度測量該線激光在物體表面的反射，之后通過三角測量法原理確定待測物體的表面信息[3]。傳統(tǒng)的激光掃描儀使用單個(gè)紅色激光條和單個(gè)成像器來捕獲掃描表面，但是單個(gè)視圖無法看到間隙邊緣附近的表面點(diǎn)。如今交叉矢量傳感器利用多個(gè)激光和多個(gè)交叉角度來獲得視圖，這使得激光掃描儀可以掃描到圓弧半徑的邊緣到垂直切線以及超出的部分（如圖3所示）。因此可以獲得更加完整的表面輪廓和更精確的間隙測量結(jié)果。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)紅色激光，使用藍(lán)光的激光掃描儀可以對(duì)前燈、尾燈、玻璃等透明件進(jìn)行測量。

圖3 交叉矢量掃描技術(shù)

3 間隙面差的計(jì)算方法

現(xiàn)有激光掃描儀通過三角測量法從零件中提取表面幾何形狀（如圖4所示），使用激光二極管作為結(jié)構(gòu)光源，CCD成像儀作為接收器來捕獲激光并將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。然后，控制器處理該信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)，該坐標(biāo)可用于生成零件的測量值。如何提取線激光中心線以及識(shí)別出中心線上的特征點(diǎn)是計(jì)算間隙面差關(guān)鍵。

提取線激光中心線方法主要有閾值法[4]、幾何中心線法[5]、極值法以及曲線擬合法，這些方法提取出來的激光光條中心線較為精確，并且滿足穩(wěn)健性和實(shí)時(shí)性的要求。中心線上的特征點(diǎn)通常選取直線與曲線的交點(diǎn)，所使用的提取算法有拐點(diǎn)提取法[6]、曲率差分法等。如圖5所示為一段激光條紋，首先通過最小二乘法得出一側(cè)的基準(zhǔn)面擬合直線，再用拐點(diǎn)提取法得到特征點(diǎn)A并計(jì)算其到擬合直線的距離，這個(gè)距離就稱為面差，該段激光條紋兩側(cè)曲線末端的特征點(diǎn)B和特征點(diǎn)C之間的距離即為間隙。

圖4 三角測量法原理

圖5 間隙面差的計(jì)算方法

4 案例分析

本文以某款手持式激光掃描儀對(duì)車門與翼子板、前車燈以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板配合出的間隙面差進(jìn)行了測量，其中車門與翼子板配合處有3個(gè)測量點(diǎn)位，前車燈配合處有2個(gè)測量點(diǎn)位，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板配合處有2個(gè)測量點(diǎn)位，每個(gè)測量點(diǎn)位測量5次。以塞尺測量到的值作為間隙的理論值，以面差尺測量到的值作為面差的理論值，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 各特征間隙測量值

表2 各特征面差測量值

從表1和表2可以計(jì)算得出該款手持式激光掃描儀測量的間隙值與理論值的平均差值為0.041mm，間隙值的極差均值為0.104mm，標(biāo)準(zhǔn)差均值為0.038mm，面差值與理論值的平均差值為0.091mm，面差值的極差均值為0.026mm，標(biāo)準(zhǔn)差均值為0.009mm，可以看出激光掃描儀在測量間隙面差時(shí)不僅測量的值準(zhǔn)確而且穩(wěn)定性良好，同時(shí)因?yàn)槟軌驅(qū)崟r(shí)得出測量結(jié)果，因而可以被廣泛地運(yùn)用于在線測量中。

5 結(jié)論

本文介紹了激光掃描儀在測量間隙面差時(shí)的工作原理以及間隙面差的計(jì)算方法，之后在實(shí)際案例中使用激光掃描儀對(duì)車身上的間隙面差進(jìn)行了測量，從測量結(jié)果可以看出激光掃描儀能夠滿足測量實(shí)際需求，并且將來也會(huì)被越來越多地運(yùn)用于在線測量中。

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[4] 甘文龍,羅會(huì)信,劉海生等.基于機(jī)器視覺的管道焊接跟蹤技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2019,47(4):103-107.

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The Application of Laser Scanner in Measuring Gap and Flush

Gao Yu

（SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201206）

The body gaps affects the sealing of the vehicle, which in turn affects the body's vibration, noise and rainproof. Traditional manual inspection takes a long time and cannot meet the needs of online measurement. Therefore, vehicle manufacturers are now using laser scanners to measure the gap and flush of the car body instead of manual measurement. This article introduces the measurement principle of the laser scanner and the calculation method of the gap and flush, and analyzes the measurement results in actual cases.

Laser measurement; Gap and flush; White body; Size measurement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.033

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高鈺，就職于上汽通用汽車有限公司。