基于PolyWorks的車身點(diǎn)云整車坐標(biāo)系建立方法

石 超，梁建國

基于PolyWorks的車身點(diǎn)云整車坐標(biāo)系建立方法

石 超，梁建國

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

在整車逆向?qū)?biāo)的過程中，車身點(diǎn)云整車坐標(biāo)系的構(gòu)建是整車逆向?qū)?biāo)中十分重要的步驟，它是整車數(shù)據(jù)逆向設(shè)計(jì)數(shù)字化模型的基礎(chǔ)，也是對汽車零部件的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究的重要基礎(chǔ)。文章結(jié)合工程實(shí)例，使用PolyWorks軟件構(gòu)建坐標(biāo)系的相應(yīng)模塊，可以迅速精確地構(gòu)建出車身點(diǎn)云的整車坐標(biāo)系，驗(yàn)證了該方法的有效性。

整車坐標(biāo)系；PolyWorks；車身點(diǎn)云；逆向?qū)?biāo)

在汽車的逆向?qū)?biāo)過程中，一般包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云預(yù)處理、曲面重建以及三維建模等步驟。其中一般使用拍照式掃描設(shè)備（如ATOS）或激光式掃描設(shè)備（如Faro）采集點(diǎn)云，輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為設(shè)備坐標(biāo)系，不符合整車逆向的相關(guān)要求，需要根據(jù)整車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重新調(diào)整車身點(diǎn)云的坐標(biāo)系，該基準(zhǔn)將直接影響后期整車點(diǎn)云的逆向數(shù)據(jù)處理和三維建模的質(zhì)量。

PolyWorks是InnovMetric公司發(fā)布的測量軟件產(chǎn)品，它能兼容多種類型的掃描設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)快速和高品質(zhì)的處理由各種類型三維掃描設(shè)備生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)可轉(zhuǎn)化為多種通用的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，并輸出報(bào)告[1]。PolyWorks的主要功能分為兩大模塊：檢測模塊和逆向模塊。其中檢測模塊包含點(diǎn)云掃描、處理功能，完整的對齊擬合功能及豐富的點(diǎn)云檢測工具；逆向模塊更加側(cè)重于點(diǎn)云編輯功能和逆向建模功能。

1 整車坐標(biāo)系定義和標(biāo)準(zhǔn)

1.整車三維坐標(biāo)系

整車三維坐標(biāo)系為汽車生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)研發(fā)階段定義的，由三個(gè)平面相互垂直構(gòu)成的坐標(biāo)體系（見圖1），這三個(gè)基準(zhǔn)平面分別為

1）平面：車輛的縱向左、右對稱的平面；

2）平面：垂直于平面，并通過設(shè)計(jì)載荷狀態(tài)的下前輪中心點(diǎn)連線與平面交點(diǎn)的垂直平面；

3）平面：垂直于、平面，并通過車身底盤縱梁的水平面。

圖1 整車三維坐標(biāo)系及零平面示意圖

圖1中，規(guī)定+為車頭指向車尾，+為右側(cè)指向左側(cè)，+為垂直于水平面，其反方向?yàn)樨?fù)值[2]。

2.設(shè)計(jì)載荷

一般以整車半載姿態(tài)測量為準(zhǔn)（圖1為汽車的整車坐標(biāo)系及坐標(biāo)方向）。

2 建坐標(biāo)系的常用方法介紹

2.1 面-線-點(diǎn)法的原理及應(yīng)用

所謂“面-線-點(diǎn)”法通常也稱之為“3-2-1”法，是三坐標(biāo)測量中常用的建坐標(biāo)系的方法，其基本原理為：先測定三個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)平面，以該平面的法向矢量為第一軸的方向；測定2個(gè)點(diǎn)并連成一條直線，并用該直線方向（起始點(diǎn)指向終止點(diǎn)）為第二軸的方向；然后再測定一個(gè)點(diǎn)，通過所測定的平面、直線、點(diǎn)的相互垂直的關(guān)系，確定了該坐標(biāo)系原點(diǎn)。

2.2 最佳擬合法原理及應(yīng)用

最佳擬合法建坐標(biāo)系是指以實(shí)際測量數(shù)據(jù)與理論值相互比較，為偏差最小的建立坐標(biāo)系的方法。最佳擬合法的取點(diǎn)一般為圓心、球心點(diǎn)，圓柱、圓錐與平面的交點(diǎn)、圓柱端點(diǎn)，三軸封閉的點(diǎn)，曲面的角點(diǎn)等。通常用在以下兩種情況：1）工件上有比較重要的復(fù)雜曲面或者關(guān)鍵特征組，在建立完常規(guī)坐標(biāo)系后，在重要的曲面上采點(diǎn)或者測量關(guān)鍵的局部特征組，并基于這些點(diǎn)或特征組重新建立最佳擬合坐標(biāo)系，由此調(diào)整、優(yōu)化坐標(biāo)系；2）工件為全曲面零件，找不到用來建立3-2-1或迭代法坐標(biāo)系的常規(guī)基準(zhǔn)特征，如純曲面工件。

3 整車點(diǎn)云坐標(biāo)系建立的操作步驟

整車點(diǎn)云坐標(biāo)系建立的操作步驟主要分為以下六步，如圖2所示，具體操作過程如下：

圖2 整車點(diǎn)云坐標(biāo)系建立的流程圖

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

首先將半載狀態(tài)的底盤點(diǎn)云、整車外表面點(diǎn)云導(dǎo)入PolyWoks軟件的IMInspect模塊。點(diǎn)云要求底盤點(diǎn)云和外表面點(diǎn)云要在同一個(gè)坐標(biāo)系下。

2.特征元素提取

如圖3所示，使用測量工具欄在底盤點(diǎn)云中的左右門檻位置或前地板縱梁平直面選取4個(gè)點(diǎn)，取點(diǎn)位置盡量保證左右對稱，以4個(gè)點(diǎn)為基礎(chǔ)創(chuàng)建平面1，為車身的平面；在左右縱梁上選擇對稱的四個(gè)基準(zhǔn)孔，將基準(zhǔn)孔投影到創(chuàng)建的平面1上并提取圓心，分別以相對應(yīng)的四個(gè)孔的中心點(diǎn)，構(gòu)造出相對應(yīng)的兩孔之間的中點(diǎn)，則得到中點(diǎn)1、中點(diǎn)2，再由中點(diǎn)1、中點(diǎn)2構(gòu)造出一條直線，則得到直線1，為車身的軸；提取半載狀態(tài)下的左、右前車輪的圓心，將兩圓心構(gòu)造出一個(gè)中點(diǎn)，得到中點(diǎn)3，為車身的原點(diǎn)。

圖3 特征元素提取示意圖

3.建立臨時(shí)坐標(biāo)系

使用“面-線-點(diǎn)”對齊模塊，將創(chuàng)建的平面1、直線1、點(diǎn)3對應(yīng)匹配“平面、軸、原點(diǎn)”（見圖4）。用“面-線-點(diǎn)”法來限定空間物體、、的六個(gè)自由度，從而確定車身點(diǎn)云的整車坐標(biāo)系（六個(gè)自由度，即沿笛卡爾直角坐標(biāo)系、、軸移動的自由度以及繞、、軸的旋轉(zhuǎn)自由度）。

4.對稱性是否符合要求

建立臨時(shí)坐標(biāo)系后，需要對車身的點(diǎn)云進(jìn)行對稱性檢查。因?yàn)檐嚿碓谡蛟O(shè)計(jì)時(shí)，外觀、底盤內(nèi)飾等通常采用對稱式設(shè)計(jì)，逆向建坐標(biāo)系要盡可能還原這一狀態(tài)，對后續(xù)點(diǎn)云逆向建模，車身逆向分析工作起奠基性作用。首先，以平面為基準(zhǔn)將車身點(diǎn)云鏡像，生成一個(gè)鏡像數(shù)據(jù)，然后以原點(diǎn)云作為基準(zhǔn)，利用軟件的曲面點(diǎn)測量工具或數(shù)據(jù)彩圖功能模塊評價(jià)出原點(diǎn)云與鏡像點(diǎn)云的偏差，檢查車身各部位的對稱情況。

圖4 建立整車坐標(biāo)系

以圖5為例，用曲面點(diǎn)工具欄在車身點(diǎn)云的前蓋、側(cè)圍A柱、頂蓋、側(cè)圍C柱等多組對稱位置取點(diǎn)，軟件會自動生成以原車身點(diǎn)云為名義值，以鏡像點(diǎn)云為測量值的對比數(shù)據(jù)，并顯示出對比偏差值（將參數(shù)設(shè)置為顯示曲面最大偏差和單一方向最大偏差）。通過鏡像前后點(diǎn)云偏差的數(shù)據(jù)對比，以車身左側(cè)與右側(cè)的點(diǎn)云偏差分析出平面的對稱度，以車身頂蓋與底盤縱梁對稱部分的點(diǎn)云偏差分析出平面的對稱度。對稱度偏差小于±1 mm，則可判定臨時(shí)坐標(biāo)系符合要求；若對稱度偏差大于±1 mm，則需要對點(diǎn)云進(jìn)行微調(diào)，使其盡可能符合要求。

5.對稱性調(diào)整

當(dāng)車身點(diǎn)云對稱度不符合要求時(shí)，需要根據(jù)車身點(diǎn)云的傾斜情況，利用手動對齊工具，對臨時(shí)坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、平移、偏置等操作。多次微調(diào)后，使整車點(diǎn)云的對稱度達(dá)到一個(gè)比較理想的狀態(tài)，即原車身點(diǎn)云與鏡像后的點(diǎn)云大多數(shù)區(qū)域的偏差小于±1 mm（見圖6），以符合后續(xù)逆向?qū)?biāo)設(shè)計(jì)的要求。

圖6 對稱性檢查示意圖

6.對稱性調(diào)整的評判標(biāo)準(zhǔn)

車身在研發(fā)時(shí)通常采用左右對稱式設(shè)計(jì)，其中底盤縱梁和側(cè)圍外板的定位孔、定位面是車身焊接的基準(zhǔn)，車身點(diǎn)云對稱性調(diào)整的過程中要優(yōu)先確定底盤縱梁和側(cè)圍外板對稱度偏差小于±1 mm，同時(shí)兼顧車身整體的對稱情況。以本文中的車身點(diǎn)云為例，經(jīng)多次調(diào)整后，鏡像后的點(diǎn)云和原車身點(diǎn)云誤差控制在90%以上的區(qū)域±1 mm以內(nèi)，四門、保險(xiǎn)杠等活動件和裝配件的誤差稍大，經(jīng)分析這些偏差是由裝配誤差或零部件變形引起。雖然以上偏差導(dǎo)致了整車坐標(biāo)系原點(diǎn)與理論數(shù)模的原點(diǎn)存在一定的偏差，但在保證車身點(diǎn)云左右、前后對正的前提下，該坐標(biāo)系的偏差不會對下一步的逆向建模產(chǎn)生影響，可判定該整車坐標(biāo)系符合要求。

7.輸出整車坐標(biāo)系

輸出已建好坐標(biāo)系的底盤點(diǎn)云、整車外表面點(diǎn)云，這兩個(gè)文件為車身零部件點(diǎn)云回調(diào)整車坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。

8.整車坐標(biāo)系誤差說明及改善方法

1）車身點(diǎn)云的左、右前輪中心點(diǎn)不對稱通常是由以下情況構(gòu)成：一是掃描點(diǎn)云時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤沒有打正引起的誤差；二是左、右輪胎氣壓讀數(shù)不同、左右輪載荷不同引起的誤差；三是車輪制造、懸架裝配引起的誤差等。改善方法為掃描底盤點(diǎn)云前要確保車身狀態(tài)符合設(shè)計(jì)載荷（一般以整車半載姿態(tài)測量為準(zhǔn)）。

2）掃描設(shè)備都有一定的單次最大掃描范圍，針對尺寸較大的車身通常需要分塊多次掃描，掃描的次數(shù)、數(shù)據(jù)的拼接對點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的影響，累積拼接誤差[3]。改善方法為盡量選取掃描范圍大的設(shè)備，或者掃描前做好分區(qū)規(guī)劃，盡量減少掃描次數(shù)。

3）車身的地板、縱梁、左右側(cè)圍在生產(chǎn)過程中存在一定的焊接變形或長期使用造成的變形，確定和平面時(shí)，對稱偏差大于±1 mm。改善方法為多次微調(diào)比對后選出誤差最小、狀態(tài)最好的方案。

4 零部件最佳擬合建坐標(biāo)系

PolyWorks的IMInspect模塊中的“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”工具欄，可用來快速、高精度的對齊零部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用“最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)滿足兩個(gè)條件：一是參考數(shù)據(jù)必須在整車坐標(biāo)系下；二是參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)必須有公共的點(diǎn)云部分，且至少要有3個(gè)公共特征點(diǎn)。

根據(jù)最佳擬合坐標(biāo)系的原理，在參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)上的公共特征部位各取至少3點(diǎn)，取點(diǎn)原則最好是圓心點(diǎn)、直線與直線的交點(diǎn)、曲面特征的角點(diǎn)等，取點(diǎn)時(shí)要保證參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的選擇順序要相同。通過3點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，把被擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系回調(diào)至參考數(shù)據(jù)坐標(biāo)系下，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)坐標(biāo)系的對大致對齊[4]，然后軟件會根據(jù)兩個(gè)點(diǎn)云公共部分的特征進(jìn)行多次擬合計(jì)算，給出最佳擬合的結(jié)果。

以圖7中的車輪最佳擬合整車坐標(biāo)系為例，在參考數(shù)據(jù)（左）取3點(diǎn)“1、2、3”，然后在被擬合數(shù)據(jù)（右）取3點(diǎn)“1'、2'、3'”，其中點(diǎn)“1、2、3”應(yīng)與點(diǎn)“1'、2'、3'”在公共點(diǎn)云特征位置大致相等，且選擇順序要保持一致，軟件會自動變換兩個(gè)坐標(biāo)系，并進(jìn)行多次擬合運(yùn)算，最終給出最佳匹配結(jié)果。

圖7 零部件回調(diào)整車坐標(biāo)系示意圖

本方法還可用于批量調(diào)整多個(gè)點(diǎn)云的坐標(biāo)系，點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)滿足兩個(gè)條件：一是被擬合的多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)要在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下；二是參考數(shù)據(jù)與被擬合數(shù)據(jù)中具有代表性的數(shù)據(jù)必須有公共的點(diǎn)云部分，且至少要有3個(gè)公共特征點(diǎn)。操作方法同上，執(zhí)行此方法可以一次性將多個(gè)點(diǎn)云回調(diào)至整車坐標(biāo)系，可大幅提高點(diǎn)云處理的效率。

5 總結(jié)

本文以逆向掃描的車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究對象，基于PolyWorks的各種功能模塊，開發(fā)了一套車身點(diǎn)云建立整車坐標(biāo)系的方法。該方法通過在點(diǎn)云上取點(diǎn)構(gòu)造特征元素，使用“面-線-點(diǎn)”法建立整車坐標(biāo)系，然后通過鏡像點(diǎn)云，將鏡像后點(diǎn)云與原車身點(diǎn)云做數(shù)據(jù)對比分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，使整車各個(gè)位置誤差均控制在較好的范圍內(nèi)，也保證點(diǎn)云左右、前后對正。同時(shí)使用“最佳擬合建坐標(biāo)系”法，實(shí)現(xiàn)零部件點(diǎn)云、拆解過程點(diǎn)云批量回調(diào)整車坐標(biāo)系。本方法建立的整車坐標(biāo)系滿足逆向要求，為后續(xù)車身逆向?qū)?biāo)分析、建模設(shè)計(jì)等工作奠定了基礎(chǔ)。

[1] 楊軍,曾翠華,鄭榮霞.PolyWorks在逆向工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2008 (11):55-57.

[2] 黃英豪,黎兆宇.汽車坐標(biāo)系和車身姿態(tài)角的確定方法[J].裝備制造技術(shù),2012(10):113-115.

[3] 趙艷平,高明,羅大兵.基于PolyWorks的逆向工程數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)械,2005(10):47-49.

[4] 高尚鵬,徐家川,李迪.基于UG的車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速對齊方法[J].汽車技術(shù),2010(5):55-57,61.

Method for Establishing Vehicle Coordinate Systemof Body Point Cloud Based on PolyWorks

SHI Chao, LIANG Jianguo

( Automotive Engineering Research Institute, Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

In the process of vehicle reverse alignment, the construction of vehicle coordinate system of body point cloud is a very important step in vehicle reverse alignment, which is the foundation of digital model of vehicle data reverse design, it is also an important basis for the study of the structural characteristics of automobile parts. Based on an engineering example, this paper uses PolyWorks software to construct the corresponding module of coordinate system, which can quickly and accurately construct the whole vehicle coordinate system of body point cloud, and proves the validity of this method.

Vehicle coordinate system;PolyWorks;Body point cloud; Reverse alignment

U462

A

1671-7988(2023)22-99-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.018

石超（1989－），男，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚋y量技術(shù)，E-mail:849319572@qq.com。