趙玉娟，王紅平，青格勒，梁嵬

(長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022)

基于Handyscan掃描儀的汽車底護板檢測試驗研究

趙玉娟，王紅平，青格勒，梁嵬

(長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022)

利用Handyscan掃描儀對某型號汽車底護板進(jìn)行檢測，得到真實的產(chǎn)品信息。通過網(wǎng)格剖分算法改進(jìn)現(xiàn)有軟件的網(wǎng)格處理效果，并通過點云數(shù)據(jù)的逆向重構(gòu)及時反饋該型號汽車底護板的數(shù)據(jù)信息，建立掃描數(shù)據(jù)與原始數(shù)模的偏差對比。通過證明檢測數(shù)據(jù)精度完成某型號汽車底護板檢測試驗的建立。

Handyscan掃描儀；網(wǎng)格剖分算法；逆向重構(gòu)；偏差對比

0 引言

汽車底護板是一種汽車防護裝置，不僅起到了保護發(fā)動機作用，還起到了隔音降噪功能。汽車底護板具體外形及尺寸是根據(jù)各種不同車型定身設(shè)計，即使同款車型，也會因使用者的需求而千差萬別。目前在汽車制造廠最常采用的是三坐標(biāo)測量法，三坐標(biāo)測量需要對汽車底護板進(jìn)行打點檢測，雖然在一定程度上得到汽車底護板相關(guān)信息，但是卻不能系統(tǒng)地檢測汽車底護板零件邊及型面等是否合格。為了實現(xiàn)更高效、更全面的檢測，出現(xiàn)了基于機器視覺的測量技術(shù)。基于機器視覺的檢測技術(shù)雖然能夠準(zhǔn)確、全方位地檢測汽車底護板，但是此檢測技術(shù)成本高，需要專門的技術(shù)人員進(jìn)行操作[1]。Handyscan3D掃描儀是一款監(jiān)測分析精度很高的設(shè)備，能夠方便、快捷地得到汽車底護板的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時與其他激光掃描儀相比，Handyscan3D檢測分析精度更高，可以簡化大量零件的掃描任務(wù)[2]。

針對某廠商某型號的汽車底護板，采用無臂手持式3D掃描儀(Handyscan3D)設(shè)備，將該汽車底護板的整體點云部分掃描出來，并和原始數(shù)模數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實現(xiàn)了該汽車底護板

的檢測。

1 檢測實驗標(biāo)準(zhǔn)的建立

1.1 實驗溫度標(biāo)準(zhǔn)

檢測環(huán)境直接影響汽車底護板檢測試驗的準(zhǔn)確性，針對所測量的汽車底護板，結(jié)合掃描儀Handyscan3D的正常測量環(huán)境范圍，底護板檢測試驗環(huán)境應(yīng)保持在一恒定的范圍內(nèi)。根據(jù)檢測設(shè)備及檢測環(huán)境條件制定一穩(wěn)定的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 檢測環(huán)境溫度標(biāo)準(zhǔn)

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

為使檢測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，故建議數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示為廠商提供的該底護板原始設(shè)計數(shù)模，并以此為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)偏差對比，可以使偏差結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 底護板標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模

1.3 檢測精度要求

汽車底護板作為底盤外掛件，其安裝孔的尺寸精度極其重要。因此以安裝孔的定位尺寸作為檢測試驗精度標(biāo)準(zhǔn)，汽車底護板檢測精度要求如表2所示。

表2 底護板檢測精度要求(安裝孔至中心線距離)

2 汽車底護板的檢測

2.1 汽車底護板表面光點布局

對底護板進(jìn)行光點布局是底護板檢測試驗第一步，直接影響檢測試驗的空間坐標(biāo)系的建立。對于黑色板材的汽車底護板，必須進(jìn)行貼光點才能識別建立空間坐標(biāo)模型，貼光點有助于掃描儀精確地采集被測零件的數(shù)據(jù)并計算其空間坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，光點的布局以點位相互之間的距離不小于5 mm為標(biāo)準(zhǔn)，均勻無規(guī)則地貼在整個底護板被測面上[3]。

2.2 Handyscan3D掃描儀校準(zhǔn)

利用Handyscan3D掃描儀對汽車底護板進(jìn)行掃描前，必須對其校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的目的是對掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)及對掃描頭進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定，保證掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 汽車底護板的掃描檢測

手持Handyscan3D掃描儀對汽車底護板進(jìn)行掃描時，掃描儀與汽車底護板的被測面距離不宜太遠(yuǎn)或太近。太遠(yuǎn)或太近都會影響數(shù)據(jù)采集效果，產(chǎn)生掃描誤差。

3 汽車底護板數(shù)據(jù)處理分析

3.1 汽車底護板數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于掃描獲取方法自身的合理性、三維激光掃描儀的精度及調(diào)試、儀器掃描范圍的局限性、坐標(biāo)系的定位準(zhǔn)確性、掃描物件的表面光潔度、測量數(shù)據(jù)的部分丟失、掃描成像的多視圖問題，造成三維激光掃描系統(tǒng)采集的汽車底護板點云數(shù)據(jù)必然含有雜點。利用Studio軟件很難進(jìn)行光順處理，因此采用人工交互檢查方法，自行剔除明顯跳點。圖2為原始點云數(shù)據(jù)，圖3為處理后的點云數(shù)據(jù)。

圖2 底護板原始點云數(shù)據(jù)

圖3 處理后的底護板點云數(shù)據(jù)

3.2 汽車底護板數(shù)據(jù)網(wǎng)格建立及劃分

在預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行底護板網(wǎng)格建立，通過對點云數(shù)據(jù)特征識別建立網(wǎng)格曲面，利用逼近方式進(jìn)行網(wǎng)格建立，使網(wǎng)格曲面靠近原始離散點云模型，達(dá)到優(yōu)化反映射的目的[4]。對剛生成的面片逐次進(jìn)行映射。離散面片邊界數(shù)據(jù)，將其投影到新建的參數(shù)平面上，如圖4所示。

圖4 底護板網(wǎng)格建立

新建立的網(wǎng)格面由于基于離散點云數(shù)據(jù)，故網(wǎng)格劃分大而且不合理，需要對新網(wǎng)格面采用均化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過對網(wǎng)格動態(tài)空間索引組織的網(wǎng)格曲面數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效查詢網(wǎng)格面片，按照曲面曲率對領(lǐng)域內(nèi)網(wǎng)格面片進(jìn)行分簇，采用頂點聚類進(jìn)行三角面片劃分，使得網(wǎng)格均勻分布在底護板數(shù)據(jù)面上。但是均化網(wǎng)格數(shù)量龐大，且并不針對底護板的特征進(jìn)行合理分布。為使網(wǎng)格依據(jù)特征劃分，需要進(jìn)行底護板特征識別，如圖5所示。通過特征識別進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，得到圖6所示的網(wǎng)格劃分，整個網(wǎng)格根據(jù)底護板特征劃分，無特征區(qū)域分配較少網(wǎng)格，而特征區(qū)域分配眾多細(xì)小網(wǎng)格，已達(dá)到完全表達(dá)特征處的目的。

由于建立網(wǎng)格沒有整體性，且有錯誤拓?fù)浒l(fā)生，優(yōu)化底護板網(wǎng)格整體并不完善，需要對錯誤網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，建立拓?fù)潢P(guān)系。通過Studio軟件自行運算處理得到的網(wǎng)格面片發(fā)生嚴(yán)重畸變形，如圖7所示，且出現(xiàn)新的錯誤，不能很好消除網(wǎng)格釘狀物，故針對網(wǎng)格處理提出改進(jìn)算法。

圖5 底護板特征識別

圖7 網(wǎng)格畸變

為保證最終網(wǎng)格質(zhì)量，盡量避免網(wǎng)格生成反映射及映射引起的畸變，借助STL標(biāo)準(zhǔn)模板庫，運用Delaunay三角剖分算法，就點邊信息重新定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建Point Status類來描述網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系。采用CGAL中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Point、Vertex_handle)創(chuàng)建的Point Status類為：

Class Point Status

{

Private:

Point P;

itr_EPoint;

Segment S;//

float m_fLen;

Std:multimap::iterator

Public:

bool b_fixed;//表示點P是否已成為固定點

int i_num_T1;//表示現(xiàn)階段未完成拓?fù)涞倪叺臄?shù)量值

int i_num_T2;//表示現(xiàn)階段已完成拓?fù)涞倪叺臄?shù)量值

std::multimap?map_Edge_Point;//存放與點P相關(guān)的各邊及其長度，并將其按升序排列

float m_fMaxLength;//表示現(xiàn)階段各邊中最長邊的長度值

float m_fMinLength;//表示現(xiàn)階段各邊中最短邊的長度值

//點狀態(tài)初始化函數(shù)

PointInitialization()

EdgeTopoStructured(Point p,Segment s);//該函數(shù)的功能為：將邊s加入m_T1，即曲面M，同時修改關(guān)于端點P的拓?fù)湫畔?，與映射map_Edge_Point中邊進(jìn)行長度對比，加入適當(dāng)映射位置，刷新m_fMaxLength、m_fMinLength來完成未拓?fù)溥厰?shù)加1操作。

EdgeTopoCompletion();//該函數(shù)的功能為：將s加入m_T2，同時修改關(guān)于端點P的拓?fù)湫畔?，完成拓?fù)溥厰?shù)加1操作；

FixedPointJudgement();//判斷關(guān)于點P各邊完成拓?fù)淝闆r，固定點是否為點P；

//下面兩個函數(shù)修改未完成拓?fù)涠它c的拓?fù)湫畔?，處理出現(xiàn)靜態(tài)孔洞情況；

void Remove_t1(Segment s);

void Remove_t2();

～PointStatus();

};

通過運算，得到良好網(wǎng)格面如圖8所示，且網(wǎng)格錯誤也相應(yīng)減少。

圖8 改進(jìn)算法處理網(wǎng)格示意圖

以此網(wǎng)格面為基礎(chǔ)進(jìn)行底護板逆向構(gòu)型，通過逼近方式構(gòu)建數(shù)據(jù)面，以實驗精度建立閾值，以此閾值進(jìn)行曲面擬合，得到如圖9所示底護板數(shù)據(jù)。

圖9 底護板逆向數(shù)據(jù)模型

3.3 汽車底護板數(shù)據(jù)分析

根據(jù)逆向數(shù)據(jù)，對比廠商提供的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模板，進(jìn)行偏差對比，得到表3，與廠商檢測精度要求對比可知，檢測精度在允許誤差范圍內(nèi)。

表3 檢測數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

為快捷高效地檢測底護板的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，建立基于Handyscan掃描儀的檢測試驗，并根據(jù)底護板的材料性能、環(huán)境穩(wěn)定制定實驗標(biāo)準(zhǔn)及精度要求。通過掃描檢測，并通過運用Delaunay三角剖分算法改進(jìn)現(xiàn)有算法，避免底護板網(wǎng)格處理中的畸變錯誤，得到真實高精度的產(chǎn)品信息，以產(chǎn)品精度作為閾值重構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)與產(chǎn)品設(shè)計原始數(shù)模的偏差對比，通過證明檢測數(shù)據(jù)精度來完成底護板檢測試驗建立。

[1]王植槐.汽車制造檢測技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2000.

[2]張偉,賴喜德,宋威,等.基于激光掃描的離心泵閉式葉輪反求技術(shù)[J].熱能動力工程,2014,29(5):539-543.

ZHANG W,LAI X D,SONG W,et al.Technology for Seeking Solutions Reversely to the Closed Impellers of a Certrifugal Pump Based on Waser Scanning[J].Journal of Engineering for Thermal Engergy & Power,2014,29(5):539-543.

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WANG Y H.Application of Quality Analysis Based on Non-Contact Measurement to Auto Parts[J].Mechanical & Electrical Engineering Technology,2006,35(1):36-39.

ExperimentalStudyonInspectionofAutomobileBottomShieldBasedonHandyscanScanner

ZHAO Yujuan, WANG Hongping, QING Gele，LIANG Wei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022,China)

Handyscan scanner was used to detect an automobile bottom shield and real product information was gotten.The mesh processing algorithm was used to improve the grid processing effect of the existing software, and the data of the bottom shield were obtained by the reverse reconstruction of the point cloud data.The deviation between the scanning data and the original digital model was compared.By confirming the accuracy of the test data, the inspection test of an automobile bottom shield was established.

Handyscan scanner; Meshing algorithm; Reverse reconstruction; Deviation comparison

2017-05-31

趙玉娟(1991—)，女，碩士研究生，主要從事機電系統(tǒng)控制技術(shù)研究、在線監(jiān)測理論與技術(shù)研究。E-mail:zhaoyujuan4963@163.com。

王紅平，E-mail:m15590592489@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.016

TB22

B

1674-1986(2017)10-067-05