李麗娟，高 姍，林雪竹

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 130022）

基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測技術(shù)

李麗娟，高 姍，林雪竹

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 130022）

以某汽車翼子板為例，結(jié)合產(chǎn)品工件的自身特點(diǎn)，通過Handyscan手持式自定位三維掃描儀對其掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用逆向造型軟件對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用Geomagic Qualify 軟件，把點(diǎn)云與原始設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對齊、3D比較，檢測產(chǎn)品工件的尺寸偏差，分析偏差來源，為實(shí)際設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。

Handyscan；Geomagic Qualify；3D分析；偏差分析

0 引言

設(shè)計(jì)、制造與檢測是工程技術(shù)領(lǐng)域的三大重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造技術(shù)的應(yīng)用日益普及。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品工件的設(shè)計(jì)更新不是一蹴而就的，需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、檢測、改進(jìn)、再設(shè)計(jì)等不斷重復(fù)的過程，直到得出符合生產(chǎn)要求的工件[1]。

在車輛某工件的設(shè)計(jì)測試或量產(chǎn)裝配過程中，實(shí)際生產(chǎn)的工件可能會(huì)與其設(shè)計(jì)的CAD模型出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致工件安裝不合格，出現(xiàn)偏差或間隙斷差，影響整體的生產(chǎn)過程。而解決問題需要找出出現(xiàn)問題的原因，單純的裸視來進(jìn)行檢測很難找出其根本原因。這時(shí)，我們就需要知道現(xiàn)下工件表面和各個(gè)特征部分的具體情況，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和調(diào)節(jié)。

通過采用Handyscan手持式自定位三維掃描儀，最大限度地采集工件表面的三維數(shù)據(jù)，得到實(shí)際工件的全部點(diǎn)云，利用逆向造型軟件對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到完整點(diǎn)云。此時(shí)，我們可以用點(diǎn)云進(jìn)行逆向曲面造型，得出逆向的工件表面，但在逆向的過程中仍然不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，對我們的偏差分析會(huì)有一定的影響。因此，我們應(yīng)用Geomagic Qualify 軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接與工件的CAD模型進(jìn)行比較，從而獲得信息豐富全面的工程彩圖檢測結(jié)果，可方便地得出工件的誤差情況[2]。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 三維掃描技術(shù)

測量方法根據(jù)測量結(jié)果的不同方式，可以分為接觸測量和非接觸測量。其中，非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。非接觸式三維信息獲取技術(shù)大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理，需要結(jié)合攝像機(jī)拍攝的圖像和目標(biāo)與攝像頭的位置關(guān)系。文中采用非接觸式的三維測量技術(shù)對某汽車的翼子板進(jìn)行掃描元件。三維掃描技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。

手持式自定位三維掃描儀（Handyscan 3D）可以實(shí)現(xiàn)更容易更快的數(shù)據(jù)采集。它的原理是基于所掃描部分的三維曲線的陣列，然后由面生成模型以輸出處理。

1.2 Handyscan三維掃描儀掃描的原理與測量

圖1 Handyscan原理概念

Handyscan手持式自定位三維掃描儀掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、電源供應(yīng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件輔助系統(tǒng)三部分組成，包括：手持式掃描頭、PCMCIA火線轉(zhuǎn)接卡、火線電纜、火線電源適配器、筆記本電腦、VxScan掃描軟件等。而其中的重點(diǎn)在于掃描頭部分，掃描頭的相機(jī)部分可用于查看點(diǎn)及接受激光，其中的8個(gè)LED發(fā)光點(diǎn)可屏蔽外界干擾。掃描頭是系統(tǒng)輸入的開始，相機(jī)部分負(fù)責(zé)拍攝工件照片，并將其送入到電腦內(nèi)存，通過軟件進(jìn)行圖像處理和被測點(diǎn)空間坐標(biāo)的解算。Handyscan測量系統(tǒng)的測量過程（如圖2所示）是通過相機(jī)部分追蹤工件上的標(biāo)志點(diǎn)來進(jìn)行的，需注意，掃描時(shí)2個(gè)相機(jī)要垂直于所掃標(biāo)志點(diǎn)或板面進(jìn)行工作。十字激光發(fā)射口會(huì)出現(xiàn)交叉的紅色十字II級(jí)激光，手持掃描儀進(jìn)行掃描時(shí)，注意不要擋到激光發(fā)射口。在進(jìn)行測量時(shí)，需要確保相機(jī)部分能夠看到工件上的靶標(biāo)點(diǎn)，只要相機(jī)能夠追蹤到三個(gè)以上的靶標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)就可以立刻解算出標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)時(shí)性非常高，實(shí)現(xiàn)了追蹤即測量。

圖2 Handyscan三維掃描儀的測量應(yīng)用

三維激光掃描儀所采用的最基本的方法有飛行時(shí)間法（time of flying，ToF）和三角測量法。飛行時(shí)間法利用激光發(fā)射到接收之間的時(shí)間延遲來計(jì)算距離。但由于光波的飛行速度達(dá)3×108m/s，為達(dá)到較高的距離測量精度，對于定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率有特別高的要求，較難在技術(shù)上得到實(shí)現(xiàn)。三角測量法則以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)。由于三維面型對結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生的空間調(diào)制改變了成像光束的角度，即改變了成像光點(diǎn)在接收裝置陣列上的位置，因此通過對成像光點(diǎn)位置以及系統(tǒng)光路的幾何參數(shù)的確定，可最終計(jì)算出掃描對象與激光發(fā)射器的距離[3]。因此，近年來激光三維技術(shù)的發(fā)展主要在于三角測量法的更新。而本文中測量所用的Handyscan手持式自定位三維掃描儀就是應(yīng)用雙三角測量方式來進(jìn)行測量的。

2 計(jì)算機(jī)輔助檢測

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由Handyscan三維掃描儀掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去除飛濺點(diǎn)、雜點(diǎn)和非連接點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)云過濾[4]。Geomagic Qualify軟件是一款計(jì)算機(jī)輔助檢測軟件，僅可對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單操作，為此需先把點(diǎn)云文件導(dǎo)入到具他有逆向功能的專業(yè)軟件中進(jìn)行處理。本文我們將點(diǎn)云輸入到Imageware軟件系統(tǒng)中，可以直觀地看出工件數(shù)據(jù)是否全面，且可及時(shí)評(píng)估點(diǎn)云的質(zhì)量，如有問題，我們可以直接補(bǔ)充不全的數(shù)據(jù)點(diǎn)或重新掃描工件數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不用等到設(shè)計(jì)中途再反復(fù)掃描,節(jié)省了重復(fù)操作的時(shí)間。圖3所示為Imageware軟件處理點(diǎn)云的前后對比圖。

圖3 汽車工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后對比圖

2.2 Geomagic Qualify軟件應(yīng)用

隨著我國航空、汽車、機(jī)械等工業(yè)的迅速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，計(jì)算機(jī)輔助檢測技術(shù)（CAI）作為提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，也日漸形成為一門獨(dú)立的學(xué)科并獲得了迅速的發(fā)展[5]。Geomagic Qualify軟件具有強(qiáng)大的三維檢測功能，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)工件的CAD模型之間快速、明了的圖形比較，可對工件進(jìn)行首件檢驗(yàn)、在線或車間檢驗(yàn)、趨勢分析、2D和3D幾何測量以及自動(dòng)化報(bào)告等，從而快速并準(zhǔn)確地完成檢測任務(wù)。

3D數(shù)字化檢測的一般流程為：首先，獲取測試模型和CAD參考模型；然后，將測試模型與參考模型進(jìn)行對齊比較；最后，對比較結(jié)果進(jìn)行評(píng)估并得出報(bào)告。

2.2.1 特征與對齊

1）用Geomagic Qualify軟件進(jìn)行質(zhì)量檢測前，先要對所獲得的點(diǎn)云進(jìn)行處理，主要有刪除噪音點(diǎn)和點(diǎn)云的拼 接等操作，待得到完好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)再進(jìn)入檢測過程。狀態(tài)欄的“圖形區(qū)域”打開處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做為測試模型，再導(dǎo)入實(shí)體工件的CAD模型作為參考模型。

2）在特征菜單下，分別對測試模型和參考模型提取特征，這些特征將為后續(xù)的對齊、尺寸分析等操作作為參考。在測試模型比較完整的情況下，可自動(dòng)創(chuàng)建；而參考模型也可以由快捷特征來自動(dòng)識(shí)別。

3）Qualify軟件中的對齊包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊和完整的測試模型與參考模型的對齊。點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊主要應(yīng)用于大型工具的點(diǎn)云拼接對齊，文中采用的是測試模型與參考模型的對齊方法。

對齊可采用基于特征對齊、最佳擬合對齊、RPS對齊和3-2-1對齊4 種方式，來實(shí)現(xiàn)位于不同坐標(biāo)系下的測試模型與參考模型的對齊[6]。本例的汽車翼子板工件以基于特征對齊的方式使點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)體CAD模型對齊（如圖4所示）。基于特征對齊比較適合于形狀規(guī)則或者具有明顯特征的模型，或者在某部位對齊精度要求比較高，要保證該部位對齊時(shí)偏差比較小的時(shí)候。所以比較適合測試特定的工件，來實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。也可以根據(jù)實(shí)際情況建立一定的特征，然后通過特征對齊來約束匹配模型，保證對齊精度。

圖4 點(diǎn)云與工件基于特征對齊

2.2.2 3D分析和生成報(bào)告

質(zhì)量檢測軟件Geomagic Qualify的核心步驟在比較分析上，通過3D分析，得到一個(gè)更能表現(xiàn)出工件真實(shí)狀況的結(jié)果對象。通過圖形化的測試模型和參考模型的3D比較，偏差色譜圖[8]的通過與不通過，偏差和文本注釋，來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)際工件的比較[7]。通過3D分析，可以直觀的看出實(shí)際工件與設(shè)計(jì)工件之間的偏差。圖5，6，7為工件的3D分析圖。

圖5 3D比較

圖6 創(chuàng)建注釋

圖7 上下偏差

最后，生成報(bào)告。報(bào)告中包含平均誤差、偏差分布、標(biāo)準(zhǔn)偏差的圖表和直方圖等，可以更直觀的了解實(shí)際工件的偏差，有利于改進(jìn)設(shè)計(jì)。圖8所示為工件的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖表與直方圖。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)偏差

3 工件的偏差分析

誤差的存在，會(huì)在一定程度上歪曲客觀事物的規(guī)律性，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論，從而影響我們客觀地判斷事物的準(zhǔn)確程度，無法得到精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在汽車翼子板的實(shí)際測量中，工件表面的曲面變化情況較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)的測量工具測量精度不高且效率低，用Handyscan手持式自定位三維掃描儀可以較為精確的測量出工件表面的實(shí)際情況，Handyscan在半米內(nèi)的測量精度可以達(dá)到0.01mm。但是，Handyscan三維掃描儀本身系統(tǒng)中就存在一定的微小誤差。如果在掃描儀搬運(yùn)或移動(dòng)后，沒有及時(shí)校準(zhǔn)就進(jìn)行測量，還會(huì)使誤差家具變大，進(jìn)而較大的影響影響測量結(jié)果。在對工件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中，以上情況都需要考慮進(jìn)去。

在汽車翼子板的分析檢測中，3D比較圖中編輯色譜表示出了偏差范圍：色譜分為11種顏色，綠色代表誤差允許范圍，范圍在±1mm之間，此顏色代表的工件上的大部分都是合格的。往上暖色系代表上偏差凸出部分，往下冷色系代表下偏差凹陷部分，從圖中可以清晰地看出工件的邊緣部分偏差較大。尤其是在圖5的3D比較分析圖中，黃色所代表的暖色系在邊緣范圍較大，偏差“凸出”，有可能是生產(chǎn)時(shí)加熱造成的。出于空氣動(dòng)力學(xué)的考慮，翼子板用有一定彈性的塑性材料或金屬做成，具有緩沖性，比較安全，因此也造成邊緣偏差較大。同時(shí)，“3D比較”對話框的左下角統(tǒng)計(jì)出了工件的正負(fù)最大距離、平均距離和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖6中的軟件界面拉出了各個(gè)顏色區(qū)域的具體偏差數(shù)值，并對注釋列表，在狀態(tài)欄中列出了，是否通過上下偏差±1mm的要求。而圖7中則顯示出來最大的上下偏差點(diǎn)。圖8表示出的標(biāo)準(zhǔn)偏差有具體的點(diǎn)數(shù)、所占百分比和直方圖顯示。同時(shí)，在生成的報(bào)告中，各個(gè)圖像、偏差值和全局坐標(biāo)也有所顯示。

Geomagic Qualify軟件具有強(qiáng)大的三維檢測功能，它是在保留原始設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，通過改變某些高級(jí)定義參數(shù)獲取系列化模型，或通過內(nèi)在尺寸及結(jié)構(gòu)布局方面的調(diào)整重新設(shè)計(jì)出新的實(shí)物模型，或者對原始設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，這已成為現(xiàn)代企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品或產(chǎn)品檢驗(yàn)的一種重要設(shè)計(jì)手段。汽車的翼子板就是因需要調(diào)整設(shè)計(jì)而對工件進(jìn)行的偏差檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

以實(shí)際汽車翼子板的掃描檢測為例，本文主要介紹了工件的數(shù)據(jù)掃描與三維檢測。簡明闡述了Handyscan手持式自定位三維掃描儀的數(shù)據(jù)采集和Geomagic Qualify軟件的檢測分析，特別是對汽車工件的3D分析。三維（3D）分析是通過將對齊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和參考對象的CAD模型進(jìn)行直接比較，生成結(jié)果對象并以三維彩色偏差圖模型的形式呈現(xiàn)出來，反映出汽車翼子板各個(gè)部位的誤差情況。從而了解工件的具體情況，為汽車工件的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，更便于適時(shí)監(jiān)控和調(diào)整整個(gè)生產(chǎn)過程。

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Workpiece deviation detection techniques based on Geomagic Qualify

LI Li-juan, GAO Shan, LIN Xue-zhu

TP391

B

1009-0134(2014)05(下)-0035-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).10

2014-01-22

李麗娟（1972 -），女，教授，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜形面3D精密測量及逆向重構(gòu)技術(shù)。