基于虚拟匹配的车身装配预警方法研究

刘晓晶，桑伟

北京奔驰汽车有限公司 北京 100176

随着生活水平的不断提高，消费者对汽车质量的要求也在随之提高。车身间隙/段差是用户对汽车的第一印象，同时对汽车在密封防水、噪声抑制等性能上产生直接影响，因此在汽车制造中对车身间隙段差的重视程度不断提升[1]。汽车零部件的制造与装配精度是控制车身质量的关键因素，传统方法是将车身实际零部件进行匹配，然后测量其间隙段差，测量过程需要安装支具、固定零件与调整坐标系，且在整体装配后才能发现问题，这使得信息不能得到及时反馈，存在效率低、成本高的缺点。因此提出基于Polyworks的车身虚拟匹配方法，在零部件装配前获取匹配信息，对车身间隙超差或干涉等问题进行提前预警，可有效提高工作效率，降低汽车生产成本。

虚拟匹配简介

1.概念

虚拟匹配是实际零部件装配过程在计算机中实现的一种技术方法，即在计算机中完成点云建模、坐标转换、零件装配和数据分析等全程协调的设计手段[2]。与虚拟匹配不同的是，虚拟装配采用理想数模进行装配[3]，其模型不存在误差与变形等因素，但在实际生产中，所用零件不可避免地存在制造偏差，虚拟装配无法反映真实产品的装配质量。虚拟匹配是使用双目视觉、三维激光等测量手段，采集零部件整体点云模型，并通过数据建模技术，得到可视化的真实点云数据，并在计算机中进行可变化的、精确的对齐装配，以实现车身实际装配潜在问题的可视化分析与处理。

2.平台介绍

为保证模型能够更加准确地描述零件数据特征，本研究采用ZEISS PRO测量臂搭载ZEISS EagleEye2 navigator激光传感器，如图1所示，该组合方案可获取零件特征微米级信息。另外，其他基于光学的测量系统，在具备一定分辨率和数据格式的前提下，也可作为数据源，如ATOS GOM和海克斯康360SIMS系统。本研究试验处理平台为台式计算机。在此基础上，通过Polyworks 2018进行模型装配与点云数据处理分析，最终实现测量结果的高品质评估。

图1 硬件配置

关键技术

本研究拟采用激光三维扫描的方式，获取汽车零件的点云信息，通过对三维数据的处理与逆向建模，得到零件真实模型的特征数据。在计算机的虚拟环境中，按照工艺要求或装配分析要求，对零件模型进行对齐装配，并生成检测报告，实现对装配结果的匹配分析与单件分析。

本研究所用方法关键技术主要包括：三维点云获取、数据去噪、轻量化处理和模型重构。

1.三维点云获取

三维点云数据的准确性直接关系着测量结果的精度与可信度。由于汽车零件多为钣金制品，该类工件存在柔性与回弹性，探针等接触式测量方式受触发力和测点密度的影响，不能全面反映零件尺寸状态，且数据在计算方面受到很大限制。本研究使用激光扫描的方法，能够实现零接触测量，可避免测量力带来的随机误差与系统误差。在实际工作中，单次扫描往往仅能测量零件的局部数据，为得到完整的三维点云，测量臂需搭载测头从不同位置与角度进行多次扫描，相邻两次扫描部分应有重合，重叠区域占整体数据的15%～25%，测量获取零件点云信息如图2所示。

图2 零件点云文件

2.数据去噪

通过激光扫描直接获取的三维点云数据会存在一些噪点，产生噪点的因素主要有夹具的误扫描、环境因素与设备误差等，如不去除数据中的噪点，将对模型装配精度造成影响。噪点去除方式分为人工手动去噪和自动拟合去噪。人工去噪是通过测量人员对点云数据进行检查，并在软件中手动去除噪点，此方法简单直观，但大型零件的点云数据巨大，手动去噪的效率低下，通常用于噪声的初步处理。自动拟合去噪是采用点云数据与理想数模进行拟合，通过设置参数，消除数据中的粗差点，此方法能够快速地去除点云中的噪声，去噪效果如图3所示。

图3 防护工装

图3 点云去噪效果

3.轻量化处理

在点云去噪后仍然会有大量重叠的数据在点云中存在，若直接对数据进行建模，会增加计算机的运算负荷，甚至会导致模型异常情况的出现。因此需对点云数据进行轻量化处理。本研究采用八叉树结构精简法，其做法是在三维空间中选定包围点云的最小立方块，并将此立方块划分为8个大小相同的立方块，然后依次对各小立方块进行相同的分割，直至立方块达到预设条件位置，精简前后的部分点云如图4所示。可以看出，该方法能够实现消除重叠数据、精简点云的目标。

图4 轻量化效果

4.模型重构

处理后的点云依然是离散的数据点，其并不能直接用来进行装配，需对点云进行重构，使之成为具有面结构的实体模型。Polyworks采用Delaunay三角剖分算法[5]，将点云数据中的测点以三角形进行包络，此方法计算式可覆盖点云中全部数据，且无论从点云中何处构建三角网络，最终得到的结果都是相同的，确保相同点云重构出的模型具有唯一性。模型重构后所有点云数据形成了一个整体，如图5所示。可以看出，处理后的模具有更高的完备性，为后续在虚拟环境中进行装配提供了必要条件。

图5 模型重构效果

实例分析

车身零件在实际装配中出现间隙过盈或干涉时，由于车身装配情况复杂，进行单件测量极为不便，因此很难判断调整哪个零件以及如何调整[6]。在虚拟匹配的报告中，不但可以清晰地看出装配后计算结果的所在位置，并且可以直接查看单个零件与理想数模之间的偏差，从而快速有效地找到问题零件，实现提前预警。根据报告结果进行分析，对问题零件提前调整或修改制造模具，最终实现一次装配成功的目标。

本研究通过激光三维扫描与点云逆向建模的方式获取实际零件的特征数据，在此基础上，对机盖和翼子板进行检测试验，并生成标准化报告，对其装配结果进行分析。

1.基准对齐

在获取机盖和翼子板模型后，为保证两个工件在同一坐标系下进行精准装配，本研究采用最佳拟合方法，以理想数模所在坐标为标准坐标系，将点云看做刚体的单点，在坐标转换时只有平移和旋转，因此工件坐标系和标准坐标系的对齐可用变换矩阵R、T来表示：

式中，∅、w、k分别表示X、Y、Z轴的旋转角；Tx、Ty、Tz分别表示各坐标轴的平移量。

通过工件模型与理想数模拟合的操作，机盖与翼子板模型在计算机环境中实现了虚拟装配，可用于后续对比与分析。

2.报告生成与结果分析

根据实际试生产调试需要，在虚拟装配后的模型上选取测量点，对其进行测量，并生成报告。通过机盖与翼子板的间隙测量结果报告可以看出，机盖与翼子板之间存在1.4mm的V形间隙，偏差0.53mm～-0.87mm。机盖和翼子板分别的偏差值，即零件制造误差，通过测点颜色与对应数值刻度能够直观的显示出工件的偏差状态。分别查看机盖和翼子板在该区域的公差标准，均为±0.4mm，可以看出造成此问题的主要原因是机盖在测点处偏差较大，属于单件超差导致的装配干涉，需对此件进行修整以用于后续生产装配。

3.标准化虚拟匹配报告与流程

为了实现标准化的虚拟匹配过程，基于上述研究成果，须对数据和报告页面进行标准化设置。

首先根据整车DTS断面（Dimensional Technical Specification尺寸技术规范），在Polyworks中设置固定的测量断面和计算公式，并对其进行编号，匹配计算结果为DMO数据格式上传至数据库服务器中特定的路径。数据库中以编号为索引，将样本信息和经过编号的断面设置为变量，对全部匹配计算结果进行数据管理，即通过报告模板和数据的筛选，将特定样本的计算结果载入经过编号的变量中，进行可视化、标准化显示，系统可以一次载入多组样本，可同步实现SPC过程监控。通过数据管理系统，虚拟匹配的结果以标准化的格式显示在各工艺位、制造工程师的办公电脑上，实现了高效的无纸化数据传输。

结语

本文采用虚拟匹配的方法，对车身零件进行逆向建模，获取零件真实数据特征，并在计算机中将零件模型与理想数模进行对比与装配，实现问题零件的提前预警，相比于传统的实物匹配：减少了匹配支架的采购，省去了实物零件精确装配所必须的长时间装配调整，避免了专用测量设备的长时间占用，有效避免实际装配中反复调装与复杂测量的问题。大规模投入使用，可缩短模具夹具的调试周期，达到汽车试生产调试期间已经量产过程中，尺寸质量成本的降低和测量效率的大幅提升。