汽車天窗裝配位置誤差檢測及校正設(shè)備構(gòu)想

曾妍 閆大鵬

摘要：汽車天窗因為其功能和優(yōu)勢，正迅速擴(kuò)大市場占有率。但是天窗安裝過程中出現(xiàn)的問題也日漸凸顯，例如漏氣漏水，行駛過程中有噪音等，這些問題大部分是由于裝配過程中的位置誤差過大決定的，所以汽車天窗裝配位置誤差檢測及校正設(shè)備的開發(fā)就顯得尤為重要。本文講述了汽車天窗裝配位置誤差檢測及校正設(shè)備的簡單構(gòu)想，采用非接觸測量技術(shù)，應(yīng)用激光法掃描獲取點云數(shù)據(jù)，通過曲線、曲面的數(shù)學(xué)建模，應(yīng)用Geomagic和UG進(jìn)行曲面重構(gòu)，應(yīng)用C++編寫數(shù)據(jù)對比以及控制程序，通過控制器完成誤差的校正。

Abstract： Because of its functions and advantages， automotive sunroofs are rapidly expanding their market share. However， the problems in the sunroof installation process are becoming more and more prominent， such as air leakage， noise during driving， etc. Most of these problems are determined by the excessive position error in the assembly process， so the vehicle sunroof assembly position error detection and correction The development of equipment is particularly important. This article describes a simple conception of the vehicle sunroof assembly position error detection and correction equipment， using non-contact measurement technology， using laser scanning to obtain point cloud data， through mathematical modeling of curves and surfaces， using Geomagic and UG for surface reconstruction， application C++ compiles data comparison and control programs， and completes the error correction through the controller.

關(guān)鍵詞：汽車天窗;位置公差;非接觸測量技術(shù);曲面重構(gòu)

Key words： car sunroof;position tolerance;non-contact measurement technology;surface reconstruction

中圖分類號：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0125-02

0? 引言

汽車天窗優(yōu)點是傳統(tǒng)車窗無法代替的，在增加了汽車天窗后，人們在駕駛時的舒適性增加的同時，也給汽車產(chǎn)業(yè)增加了相應(yīng)的問題，也就是天窗安裝過程中的誤差以及誤差帶來的結(jié)果，不僅沒有帶來方便，反而帶來了很多麻煩，漏水、噪聲問題嚴(yán)重影響駕駛環(huán)境。為了避免種種煩惱，汽車天窗裝配位置誤差的檢測及校正設(shè)備的開發(fā)就顯得尤為重要。

1? 汽車天窗的結(jié)構(gòu)

常見電動天窗的結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、滑動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和開關(guān)等組成。其中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、螺桿等組成。電機(jī)給天窗前后移動和轉(zhuǎn)動提供動力，通過改變電流方向改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)天窗的開閉。傳動機(jī)構(gòu)主要由渦輪蝸桿、驅(qū)動齒輪和中間傳動齒輪組成，傳動齒輪在驅(qū)動電機(jī)的作用下，改變其旋轉(zhuǎn)方向，并減速增矩后傳遞給蝸輪蝸桿，實現(xiàn)天窗的運動;滑動機(jī)構(gòu)主要有導(dǎo)向塊、導(dǎo)向銷、連桿、枕座以及玻璃托架組成，實現(xiàn)天窗的升起下落和前后移動;控制系統(tǒng)由定時器、蜂鳴器和繼電器組成，其作用是接受開關(guān)信息，通過數(shù)字電路進(jìn)行邏輯運算，確定繼電器的動作，達(dá)到對天窗控制的目的;開關(guān)主要由控制開關(guān)和限位開關(guān)組成，控制開關(guān)包括天窗的前后滑動以及升起下落開關(guān)，線位開關(guān)主要是檢測天窗所處位置。

2? 汽車天窗裝配位置檢測技術(shù)

汽車天窗是集合光學(xué)、先進(jìn)機(jī)械制造、電子技術(shù)于一體的高端科技產(chǎn)品，以其結(jié)構(gòu)與控制較復(fù)雜為突出特點。一方面，天窗在關(guān)閉時要與車頂完全匹配，對密封性有特殊要求;另一方面，在打開時要實現(xiàn)外掀與內(nèi)藏的精確控制。其中，汽車天窗的運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動都是在多約束條件下進(jìn)行的平面運動。隨著科技的告訴發(fā)展，原廠天窗已經(jīng)成為一種潮流，也是提高汽車檔次的重要指標(biāo)。在汽車生產(chǎn)流水線上，當(dāng)今汽車天窗的安裝主要有人工進(jìn)行現(xiàn)場安裝和由機(jī)器控制的全自動安裝。目前國內(nèi)的天窗安裝大部分都是采用人工的方式，這就對安裝人員的要求非常高，也需要豐富的經(jīng)驗，檢測方式為一對一人工檢測，即通過傳感器對天窗汽車天窗某些特定點進(jìn)行定位檢測，再定點修正。整個過程都需要人工操作，工作時間長，工作難度大，工作要求高，需要操作人員有較強(qiáng)的工作經(jīng)驗。所以，開發(fā)一款天窗裝配位置誤差的檢測及校正的設(shè)備就顯得尤為重要。

3? 數(shù)據(jù)測量處理及曲面重構(gòu)

3.1 點云數(shù)據(jù)的獲取及處理? 由于被測物體（被測物體指的是汽車頂部與天窗的相對位置，下文中出現(xiàn)的被測物體也都是此相對位置）的材料、表面質(zhì)量等條件的影響，激光測距儀采集的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定的誤差，所以數(shù)據(jù)需要經(jīng)過預(yù)處理，其中包括數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)修補(bǔ)等處理，處理后的數(shù)據(jù)才能為三維模型重構(gòu)打下良好基礎(chǔ)，否則會對曲面重構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。由于汽車天窗與車體連接部分的材料不同，硬度不同，而且需要采集的點數(shù)量較大，所以本文選擇非接觸式測量;由于激光位移傳感器可以精確的測量被測物體的位置變化，對被測物的距離、厚度、位移等測量相對精確，故本文選擇激光位移傳感器。

3.2 點云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換? 激光測距儀一般都配有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，但是數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一次性存取，而且激光測距儀的控制器儲存有限，所以不能進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集。本文將激光測距儀采集回來的數(shù)據(jù)連接到數(shù)據(jù)采集箱，使激光測距儀采集的數(shù)據(jù)點可以通過數(shù)采系統(tǒng)在數(shù)采軟件上顯示。

激光測距儀采集的數(shù)據(jù)點集為二維點集，其中曲線的橫坐標(biāo)為時間T，縱坐標(biāo)為在測量范圍內(nèi)Z方向的變化，由于時間軸無法顯示實際測頭走過的距離，所以就需要對時間軸進(jìn)行處理。V為機(jī)床運動速度，由S=V×T便可知S為激光測距儀實際走過的距離，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理我們就可以得到橫軸為激光測距儀運動軌跡，縱軸為Z方向上的變化量的數(shù)據(jù)點云。

3.3 曲面重構(gòu)的過程? 本文提出了一種Geomagic和UG相結(jié)合的逆向建模方案。曲面重構(gòu)過程：首先UG中將激光測距儀采集的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行二維轉(zhuǎn)換，通過專門的反求工程軟件Geomagic Studio，將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的預(yù)處理，再重新將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UG軟件中進(jìn)行坐標(biāo)定位，完成曲線、曲面的重建，該方法在保證了還原曲面精度的同時也大大縮短了逆向建模所需的時間。

我們采用專業(yè)的逆向還原軟件Geomagic Studio對大量的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及曲面還原等工作。在數(shù)據(jù)處理方面Geomagic Studio在點和多邊形階段可以完成數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)精簡和點云數(shù)據(jù)三角形網(wǎng)格化、數(shù)據(jù)修補(bǔ)等任務(wù)，最終實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的高效處理，并可以使所處理的數(shù)據(jù)完整、有序。為了使所獲取的零件或產(chǎn)品輪廓的幾何特征線以及平滑、完整的三角面片網(wǎng)格導(dǎo)入UG進(jìn)行模型反求，多邊形階段就需要進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)修補(bǔ)、修復(fù)相交三角形和截面特征線提取。另外，在Geomagic Studio中可以將一些模型精度要求不高的機(jī)械零件或者復(fù)雜、不規(guī)則曲面且曲面質(zhì)量不要求的曲面通過對三角面片網(wǎng)格分片得到子網(wǎng)格曲面直接與NURBS曲面擬合，最后導(dǎo)入其他軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。NURBS曲面的優(yōu)點在于其不會對整條曲線和曲面造成影響的前提下，完成對特征曲線局部的單個數(shù)據(jù)點進(jìn)行NURBS曲面片層的調(diào)整;缺點在于對機(jī)械零件配合面的精確度難以保證，這主要是由于自動擬合的曲面拓?fù)錂C(jī)構(gòu)與被測零件曲面拓?fù)洳灰欢ㄍ耆恢略斐傻?。將點云數(shù)據(jù)在Geomagic Studio中完成對數(shù)據(jù)點的預(yù)處理，其中包括點云數(shù)據(jù)的去噪、數(shù)據(jù)的精簡、數(shù)據(jù)的修補(bǔ)等操作后，導(dǎo)入UG中進(jìn)行NURBS曲面擬合。

4? 基于Visual C++的誤差測量及校正

運動控制卡是一種基于PC總線技術(shù)，以實現(xiàn)多個伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制為目的的高性能電機(jī)運動控制卡，其主要手段是通過使用高性能的微處理器以及大規(guī)?？删幊淘＿\動控制卡通過改變脈沖的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過改變脈沖數(shù)量來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，其基礎(chǔ)是因為可以發(fā)出連續(xù)高頻率的的脈沖串。

C++作為C語言的傳承與進(jìn)步，使C++在可以進(jìn)行類似C語言的過程化程序設(shè)計的同時，也可以進(jìn)行具有其特色的以抽象數(shù)據(jù)類型為特點的基于對象的程序設(shè)計，還可以進(jìn)行傳承和多態(tài)為特點的面對對象的程序設(shè)計。

人機(jī)交互界面作為人和計算機(jī)溝通的橋梁，擁有一個合適的、操作簡單的、全面的操作界面是十分必要的。人機(jī)交互界面的作用主要體現(xiàn)在操作人員可以按照不同的思路完成相同的任務(wù)，這樣避免了對操作人員思維的局限，也不需要進(jìn)行技巧性的培訓(xùn)。本文應(yīng)用人機(jī)交互界面的主要目的在于接收顯示標(biāo)準(zhǔn)天窗與被檢測天窗對比的圖樣，并且能夠選擇需要進(jìn)行校正的位置，可以簡單的計算出需要校正的誤差的大小。

5? 程序設(shè)計及實驗驗證

5.1 程序設(shè)計過程分析? 裝配誤差主要體現(xiàn)在天窗的頭部或尾部高出車頂或者頭部或尾部低于車頂?shù)葐栴}。具體出現(xiàn)誤差的位置也是不規(guī)律的，而且誤差的大小也無法預(yù)測。要解決此類問題，就需要設(shè)計一款程序，其要求是能夠接收到點云數(shù)據(jù)，順利定位出誤差出現(xiàn)的位置并且能夠計算出誤差大小，然后通過選擇特定的位置對誤差進(jìn)行校正。在科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)極度發(fā)達(dá)的今天，實現(xiàn)這種功能的方式多種多樣，本文選擇了一種應(yīng)用廣泛、操作簡單而且結(jié)構(gòu)清晰的方法，即使用激光掃描儀作為數(shù)據(jù)采集裝置，通過Geomagic和UG等軟件作為輔助，再應(yīng)用C++語言程序設(shè)計作為數(shù)據(jù)交換中心，用以達(dá)到收集數(shù)據(jù)、目標(biāo)反求、誤差計算與誤差校正于一體的目的，實現(xiàn)汽車天窗裝配位置誤差的檢測與校正。

5.2 程序設(shè)計流程? 針對誤差出現(xiàn)的方式以及可能出現(xiàn)的問題，首先本文選擇使用激光掃描儀采集檢測合格的天窗和車頂?shù)狞c云數(shù)據(jù)，在Geomagic和UG的配合使用下，應(yīng)用逆向工程思想及技術(shù)，反求出檢測合格的汽車車頂與車窗之間的裝配位置關(guān)系的三維曲面，用來作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫使用，可永久保存。其次收集安裝好但未檢測的車頂和天窗點云數(shù)據(jù)，同樣使用Geomagic軟件和UG反求出裝配位置關(guān)系的三維曲面。然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫做對比，通過車頂?shù)亩S曲面中車頂邊緣位置以及天窗安裝口的位置將兩個模型擬合，定位出合格與非合格天窗的位置關(guān)系，然后去除重復(fù)數(shù)據(jù)，即車頂數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)既為所檢測的天窗與標(biāo)準(zhǔn)天窗之間的相對位置關(guān)系，即裝配誤差。將裝配誤差通過PC機(jī)的顯示器顯示出來，然后選擇相應(yīng)的點進(jìn)行校正，通過選擇需要校正的點，經(jīng)過程序中的運算傳輸?shù)竭\動控制卡，控制電動螺絲刀的轉(zhuǎn)動方向和旋轉(zhuǎn)角，完成裝配誤差的校正。完成后再次進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的收集以及三維維曲面反求，重復(fù)之前的操作命令，直到誤差在允許范圍內(nèi)為止。

在收集點云數(shù)據(jù)時，因為收集的點云數(shù)據(jù)不一定都是檢測誤差時所需要的，可能出現(xiàn)噪聲點，而且不能保證每次收集點云數(shù)據(jù)的位置都相同的，所以需要重新定位來保證誤差檢測的準(zhǔn)確性和有效性。如果采用點定位，那么可能會出現(xiàn)噪聲點被檢測為正確定位點，或者正確的定位點被當(dāng)作噪聲點去除。所以為了保證定位的準(zhǔn)確性，那么就需要對車頂和天窗進(jìn)行曲面反求重建，以保證檢測出的誤差值的有效性，也為后續(xù)裝配誤差校正提供了保障，增加了程序的可信度，也提高了誤差校正的精確度。

參考文獻(xiàn)：

[1]KEYENCE.感測器[J].影像系統(tǒng)及量測儀器，2003，4（8）：32-36.

[2]王霄，劉會霞，梁佳洪.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004：16-22.

[3]宋開臣，張國雄.激光三角法掃描測頭特性的研究[J].中國機(jī)械工程，2000，4（11）：33-37

[4]劉書桂，陳超.基于改進(jìn)遺傳算法的三坐標(biāo)測量機(jī)光學(xué)測頭的標(biāo)定[J].天津大學(xué)學(xué)報，2005，8（38）：44-48.

[5]盧剛.跟蹤式激光三角法表面形狀測頭的研制[D].西安：西安大學(xué)，2004：53-54.

[6]周鋒，鄒宏儒，劉占兵，鞠魯粵.逆向工程中點云數(shù)據(jù)的精簡處理研究[J].機(jī)械工程師，2006（11）：84-85.

[7]出曉嵐.集成于三坐標(biāo)測量機(jī)的激光三角法測量系統(tǒng)[D].廈門：廈門大學(xué)，2009：58-63.