韋永亮，楊付四，岳雙成

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“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”在碰撞試驗車測量上的應(yīng)用

韋永亮，楊付四，岳雙成

（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）

文章簡述了碰撞試驗車在碰撞前后車身測量的常規(guī)方法。根據(jù)數(shù)值計算“最小二乘法”原理并結(jié)合碰撞試驗車實際情況提出“基準(zhǔn)特征構(gòu)造”測量方法。利用若干單點以“最小二乘法”構(gòu)造虛擬特征元素，依據(jù)這些特征元素建立坐標(biāo)系進(jìn)行試驗后對比測量，在保證測量精度的同時，有效提高了碰撞試驗車在碰撞試驗后的測量效率。

碰撞試驗車；測量；基準(zhǔn)；特征構(gòu)造

引言

近年來，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為了追求更高水平的汽車碰撞安全性能，各大車企均在加大汽車碰撞安全技術(shù)的研究。在碰撞試驗的研究中，需要對碰撞試驗前后的車身數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。三坐標(biāo)測量及車身三維數(shù)據(jù)掃描是行業(yè)內(nèi)采集車身碰撞試驗前后數(shù)據(jù)的常用方法。

三坐標(biāo)測量是定量分析關(guān)鍵點試驗前后形變量的重要手段，方法及主要步驟如下：

①碰撞試驗前，在車身的目標(biāo)碰撞區(qū)內(nèi)標(biāo)記出需要監(jiān)測的“關(guān)鍵點”（如圖1所示)；

②用三坐標(biāo)測量機測量“關(guān)鍵點”的坐標(biāo)值；

③碰撞試驗后，用三坐標(biāo)測量機再次測量“關(guān)鍵點”的坐標(biāo)值，并分析對比試驗前后的變化。

圖1 側(cè)面碰撞試驗車身監(jiān)測“關(guān)鍵點”

對于三坐標(biāo)測量，碰撞試驗前，測量設(shè)備可選擇懸臂式測量機、便攜式關(guān)節(jié)臂測量機等；碰撞試驗后，選擇便攜式關(guān)節(jié)臂測量機進(jìn)行測量。以側(cè)面碰撞試驗車為例，碰撞試驗后車身產(chǎn)生較大形變，在車身的碰撞區(qū)域附近難以找到合適的特征元素作為測量時建立坐標(biāo)系的基準(zhǔn)。因此，在測量側(cè)面碰撞后的車身“關(guān)鍵點”時，傳統(tǒng)的測量方法是：以碰撞區(qū)域的另外一側(cè)為基準(zhǔn)，選擇約4個基準(zhǔn)特征，用最佳擬合法建立整車坐標(biāo)系；然后，利用“蛙跳”原理將設(shè)備轉(zhuǎn)移至碰撞區(qū)域進(jìn)行測量。該方法在測量過程中需要進(jìn)行數(shù)次“蛙跳”操作，工作效率較低。

本文以此為切入點，根據(jù)實際研發(fā)項目，在碰撞試驗車測量上運用“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”提高碰撞試驗后的測量效率。方法及主要步驟如下：

碰撞試驗前，在車身碰撞區(qū)域附近（非變形區(qū)或微變型區(qū)）粘貼若干“標(biāo)記點”（如圖2所示），并以“標(biāo)記點”為基礎(chǔ)構(gòu)造虛擬特征；利用“矩陣擴展法”將坐標(biāo)系擴展到這些虛擬特征上。

圖2 “標(biāo)記點”

碰撞試驗后，以構(gòu)造的虛擬特征為基準(zhǔn)建立整車坐標(biāo)系，然后對車身“關(guān)鍵點”進(jìn)行測量。

1 原理及理論基礎(chǔ)

點是構(gòu)成所有幾何元素的基礎(chǔ)，利用點和特定的算法可以構(gòu)造出特定的特征，如圓、圓槽、方孔等。

如圖3所示是平面上大致呈圓形分布的點，根據(jù)最小二乘法原理，可以將這些點擬合出一個圓，如圖4所示。

圖3 大致呈圓形分布的點

圖4 利用點構(gòu)造的虛擬特征圓

設(shè)根據(jù)最小二乘法擬合構(gòu)造的圓，圓心為O，其坐標(biāo)值為（A，B）。

則圓的曲線方程可表示為：R2＝(X-A)2＋(X-B)2。

設(shè)所有的點（xi,yi）i∈(1,2,3……）到圓心的距離為di。

di2=(xi-A)2+(yi-B)2。

設(shè)點到圓心距離與圓半徑的平方差為Δi。

Δi=di2-R2=(xi-A)2+(yi-B)2-R2=xi2+yi2+axi+byi+c

其中：a=-2A

b=-2B

c=A2+B2-R2

構(gòu)造函數(shù)F（a,b,c）=Δi2=(xi2+yi2+axi+byi+c)2

函數(shù)F（a,b,c）分別對a,b,c求偏導(dǎo)：

令以上三式分別等于零，建立一個三元一次方程組，可解得a,b,c的值，從而計算出圓的坐標(biāo)值和直徑。

在實際測量中，上述方法得出坐標(biāo)值和直徑，誤差小、試驗前后一致性好，既使部分單點產(chǎn)生微小位移，仍能從算法上趨于校正，構(gòu)造的虛擬特征圓與實際存在于車身的特征圓在功能上相同，且在位置上更優(yōu)，便于實際測量操作。

2 實施應(yīng)用

2.1 在側(cè)面碰撞試驗車測量上的應(yīng)用

在碰撞試驗的研究中，為比較分析車身在碰撞試驗前后的形變，業(yè)內(nèi)通常采用三坐標(biāo)測量“關(guān)鍵點”的方法來采集車身在碰撞試驗前后的數(shù)據(jù)。在碰撞試驗后，碰撞區(qū)域內(nèi)的車身會產(chǎn)生較大變形，在此區(qū)域內(nèi)的特征元素不能作為三坐標(biāo)測量建立坐標(biāo)系的基準(zhǔn)，而且，在碰撞區(qū)域附近沒有足夠數(shù)量合適的特征可以作為建立坐標(biāo)系的基準(zhǔn)。另外，測量設(shè)備量程有限。因此，在測量碰撞試驗后的車身“關(guān)鍵點”時，通常在遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的車身上尋找特征元素作為最佳擬合法建立車身坐標(biāo)系的基準(zhǔn)。以側(cè)面碰撞試驗為例，以下是針對碰撞試驗后車身測量的常規(guī)方法和改進(jìn)方法的對比。

圖5 側(cè)面碰撞試驗后常規(guī)方法測量

①常規(guī)測量方法，如圖5所示，先在車身沒有因為碰撞試驗產(chǎn)生形變的區(qū)域，選擇約4個特征元素作為基準(zhǔn)，用最佳擬合法建立整車坐標(biāo)系；然后利用“蛙跳”將測量設(shè)備轉(zhuǎn)移到碰撞區(qū)域進(jìn)行測量。在這個過程中需要在車身上粘貼至少3個標(biāo)準(zhǔn)鋼球，在這里稱之為“蛙跳球”，通常使用熱熔膠進(jìn)行粘貼。

②“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”

在碰撞試驗前，如圖6所示，在車身碰撞區(qū)域附近（非變形區(qū)或微變型區(qū)）粘貼“標(biāo)記點”，使每4至5個標(biāo)記點大致呈圓形分布；根據(jù)最小二乘法原理用上述方法將“標(biāo)記點”構(gòu)造成若干虛擬特征圓；然后利用“矩陣擴展法”將坐標(biāo)系擴展到這些虛擬特征圓上；碰撞試驗完成后，以這些構(gòu)造的特征圓作為基準(zhǔn)，用最佳擬合法建立整車坐標(biāo)系，然后對車身“關(guān)鍵點”進(jìn)行測量。

圖6 側(cè)面碰試驗后“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”測量

2.2 在正面或偏置碰撞試驗車測量上的應(yīng)用

圖7 正面或偏置碰撞試驗后常規(guī)方法測量

圖8 正面或偏置碰撞試驗后“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”測量

在正面或偏置碰撞試驗中同樣存在因車身變形導(dǎo)致難以找到合適的特征作為建立坐標(biāo)系基準(zhǔn)的問題，用同樣的方法構(gòu)造虛擬特征作為建立坐標(biāo)系的基準(zhǔn)，然后對目標(biāo)測量區(qū)域進(jìn)行測量。圖7所示為正面或偏置碰撞試驗后常規(guī)方法測量示意圖，圖8所示為正面或偏置碰撞試驗后“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”測量示意圖。

需要指出的是：在所有的單點測量過程中，需要保持測量機測頭方向與目標(biāo)單點矢量方向一致，以此達(dá)到最佳測頭半徑補償與曲面匹配。

和常規(guī)測量法相比，“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”減少了“蛙跳”過程，減少了等待熱熔膠加熱時間，不用粘貼“蛙跳球”，避免了來回移動設(shè)備，在保證測量數(shù)據(jù)有效精度的情況下，測量效率倍增。側(cè)面碰撞車測量為例，表1是兩種測量方法在效率與精度上的對比,傳統(tǒng)測量方法從前期準(zhǔn)備到測量整個過程需要50分鐘到1個小時；采用“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”，整個測量過程僅需30分鐘到40分鐘。且測量精度不遜于傳統(tǒng)測量方法。

表1 兩種測量方法在效率與精度上的對比

3 小結(jié)

本文針對汽車碰撞試驗研究中的車身測量，簡述了測量的主要方法和具體步驟，并指出在常規(guī)測量方法中，由于車身變形給測量工作帶來的不便。通過使用“基準(zhǔn)特征構(gòu)造法”在車身碰撞區(qū)域附近構(gòu)造虛擬特征，用“矩陣擴展法“將整車坐標(biāo)系擴展到構(gòu)造的虛擬特征上，以虛擬特征為基準(zhǔn)建立整車坐標(biāo)系，從而實現(xiàn)對車身碰撞區(qū)域的測量。該方法的應(yīng)用避免了常規(guī)方法中的”蛙跳“過程，在保證測量精度的同時使測量工作效率得到有效提升。

該方法的核心思想在于人為構(gòu)造虛擬特征，亦可應(yīng)用于汽車研發(fā)其它領(lǐng)域，如零部件、分總成等試驗前后存在形變的試驗。

[1]楊付四.基準(zhǔn)“矩陣擴展法”在車身改制和現(xiàn)場測量中的應(yīng)用[A]. 2016中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C]. 2016.

[2] 曾喆昭.數(shù)值計算方法與MATLAB應(yīng)用[M].鄭州大學(xué)出版社. 2010.

[3] 李春,劉書桂.三坐標(biāo)測量機的測頭半徑補償與曲面匹配[J].儀器儀表學(xué)報,2003（04）.

[4] 韋慶玥.三坐標(biāo)測量在汽車鈑金件測量中規(guī)范的研究[J].機械制造,2015（01）.

The Application of "Datum Feature Structuring Method" in The Measurement of Impact Tests Vehicle

Wei Yongliang, Yang Fusi, Yue Shuangcheng

（Guangzhou Automobile Group Co., Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434）

This paper gives a brief description of the conventional method of vehicle measurement before and after impact tests. According to the principle of the "least square" method and the actual situation of the impact tests vehicle, the "datum feature Structuring" method is put forward. Using several points to construct virtual feature as reference for establishing coordinate system when measuring, while ensuring the accuracy of measurement, and effectively improving the measure -ment efficiency of impact tests vehicle after impact tests.

Impact tests vehicle; measurement; Datum; Feature structuring

U270

A

1671-7988(2019)09-168-03

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1671-7988(2019)09-168-03

韋永亮（1991.8-），男，測量工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事測量研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.054