三维扫描在汽车行业的数字化检测应用

杨延亮，吴东哲，刘颖鹏，肖文彬，庄亿佳

中国重汽集团济南卡车股份有限公司 山东济南 250000

中科院广州技术有限公司 广州 510000

汽车为了降低在高速行进时产生的风阻，对车身的流线表面有很高要求，车门就是其中重要的一环。车门在生产过程中，对表面精度有一定要求，如果偏差太大，就可能达不到设计的理想效果，会使汽车行驶时风阻加大，导致该汽车耗油增加。如何准确、快速、便捷地控制车门的表面质量，达到减少风阻的设计初衷，这成为了行业的痛点。随着技术的更新换代，三维扫描仪开始进入这一行业，有效地解决前面的难题。依赖计算机图像处理技术和光学技术的发展与成熟，结合这两者所诞生的扫描仪逐渐步入人们的视野中，并广泛渗透到各行各业，有效地解决各行业的难题。

三维扫描简介

三维扫描是集光学、机电和计算机技术于一体的高新无损检测技术，能够对实物的空间外形、结构乃至色彩进行扫描，将立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，获得物体表面的准确空间坐标[1]，为实物数字化提供了快捷、精确及方便的手段，对科研教学，设计创新及生产制造提供数据支撑。

三维扫描仪的光源一般为激光。激光以其单色性、亮度高、发散小等优点成为早期三维光学测量系统的首选光源。第一代三维激光扫描系统采用激光光点进行扫描，但单一激光光点扫描速度非常慢。随着光电技术和计算机数据处理技术的进步，目前采用 7线、14 线甚至更多激光线的产品已经投入使用，扫描速度有了质的飞跃。最新的扫描仪的光源激光为蓝色激光。蓝光的波长更短，并且光源为LED冷光源，光源能耗更低，抗干扰能力强，以及对环境要求低、不需喷粉等特点[2]，已经得到广泛应用。

三维扫描仪可以实现最高效的全尺寸检测，可自由扫描工件的任意位置，精确分析任意位置的偏差[3]。基于扫描数据，与3D数模比较，生成颜色误差色谱、偏差注释、尺寸测量、几何公差检测和直观检测报告。这种检测方法广泛应用于铸造件、工装夹具、模具、钣金件、塑模、汽车零配件、装配件等几何尺寸测量、形位公差检测等。

三维扫描原理

三维扫描原理如图1所示，是基于三角测量法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用 CCD（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度θ。然后结合己知激光光源与 CCD 之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。

图1 三角测量法原理

应用分析

本次以汽车驾驶舱左车门为例，对其内板总成进行数字化检测分析。在还没有三维扫描检测介入前，车门的检测高度依赖检具。图2为车门检具检测现场。

图2 车门检具

车门检具的检测过程如下：

（1）产品定位 打开检具所有压钳、翻转机构，将产品基准对应检具基准（A1-A14、B1-B2、C1-C2）轻放入检具中。然后压紧所有压钳，此时检具处于工作状态。若产品基准面与检具基准面贴合牢靠，无晃动，则产品放入合格，再进行以下检测。车门基准如图3所示。

图3 车门基准示意

（2）产品检测 使用面检销、通止规（见图4）检测产品与模拟块、卡板间隙，若通止规通端通且止端止则产品合格，反之不合格。使用面差规±0.8检测产品零位面（模拟块刻0线位置），若通端能通且止端能止则检测合格，反之不合格。将J1、J2检测销插入对应位置检测产品孔径，若检测销能顺利插入则产品孔合格，反之不合格。若检测合格，则换用J1、J2划线销在产品上划线，目视划痕，若划痕在公差带范围内则产品合格，反之不合格。

图4 面检销、通止规

这种传统检测方式存在一些缺陷：检具因为工作时的磨损，需经常修复，该修复过程非常复杂，难度较高，这个工作需要有经验的技术人员担任，可以看出这种方法耗时耗力，且成本也较高。另一个较大的不便就是，这种检测方式只能判断车门产品有没有达到生产要求，无法将产品的不良以数值的形式呈现，对产品回炉无法提供有用的修改建议。

数字化检测过程

本次用到手持式扫描仪，如图5所示。以非接触的方式对物体轮廓进行快速测量已成为新常态。这种非接触式测量不会造成被测物体表面损伤或变形，并且避免了三坐标测量中测头位移传感所产生的系统误差，可以实现对被测物体表面轮廓和特征进行快速和精准扫描[4]。通过计算机对扫描得到的点云进行三维重建，可构建出被测物体的三维模型，这是一般测量手段无法实现的。

图5 手持式扫描仪

下面详细阐述通过三维扫描得到车门检测结果的过程。

1.仪器校准

一般的三维扫描仪器都有其校准步骤，各种品牌的校准方式各有不同，但原理大致相同。通过扫描仪扫描固定距离的校准物品，然后将扫描的结果与校准文件比较，得到偏移量的均方根值即校准值。如果这个校准值符合规定值，则校准成功，扫描仪可正常使用。通常，扫描仪经过长时间未使用，或者经过颠簸，则必须做校准。

（1）追踪仪校准 按要求连接好扫描仪的各种线路，选用的手持式扫描仪的校准分两部分，首先要做追踪仪的校准。手持校准棒，走到要求的位置，并摆放到特定的姿势，如图6所示。

图6 追踪仪校准

（2）扫描头校准 手持扫描仪摆放到校准板上指定的位置，如图7所示。

图7 扫描头校准

2.扫描工件

在追踪仪能观察到扫描仪的前提下，保持扫描仪与物体一定距离，匀速移动扫描头。追踪仪观察扫描仪的定位目标阵列，通过三角测量，软件能够确定扫描仪在空间中的位置，通过观察投影到物体表面上的激光线来完成表面采集。激光扫过表面后，设备根据三角测量法确定的表面位置并记录数据。如图8所示，为现场扫描。

图8 现场扫描

激光线在部件上的可见度是数据采集成功与否的关键因素。激光线的可见度受颜色和材料类型影响。反射率高的部件易产生镜面效应，导致难以读取部件上的激光线。黑色会吸收光线，也会因缺乏对比度而导致激光线难以读取。通过调整快门参数可抵消黑色、反射和透明物体的影响。本次测量的车门表面为银白色，且有些反光，应调节中等强度的激光线进行扫描。

通过以上的扫描过程，可以得到车门的三维模型，如图9所示。该模型为网格文件，尺寸和实物为1：1。通过以上过程，车门的表面数据基本都采集下来了。

图9 扫描数据

3.数字化检测

用检具检测车门是否合格，完全依赖检具是否正常，而检具因为磨损，需要经常修补，导致车间生产运转迟滞。测量效率低且测量值存在较大误差。

而应用三维扫描数字化检测就可以很方便地做到3D偏差比较、2D偏差比较、3D尺寸测量、2D尺寸测量、形位公差测量等，功能齐全。

创建3D色谱偏差图。将得到的扫描数据（网格文件）导入检测软件，再将车门的设计图纸（实体文件）导入检测。此时这两个文件不在同一坐标，通过计算机计算将网格文件按照特征与实体文件最佳拟合对齐，再根据车门的基准对齐。选择偏差色谱图命令，调节公差范围，就可以直观地看到生产出来的产品与设计图纸的表面偏差[5]。图10所示为车门的偏差色谱图 。

图10 色谱偏差图

观察色谱偏差图，就可很直观地看出面罩的整体表面质量。绿色区域表示面罩表面在控制公差范围内，合格；红色区域表示超出公差范围，面罩表面有凸起形变；蓝色区域表示面罩表面有凹陷形变。根据这些信息提示，为返工提供依据。

结语

本文从前期准备、数据采集、数据处理等主要步骤出发，提出了基于手持式三维激光扫描仪的工业构件质量检测方法；并利用实际案例验证了该方法在工业构件质量检测中的精度和效率，为快速低成本的工业构件质量检测提供了思路。通过本次应用分析，可见三维扫描数字化检测技术与传统测量技术相比具有以下优势：

1）非接触测量，不容易受环境影响。

2）全尺寸检测，数据采样率高，扫描速度快。

3）高分辨率、海量点云数据，精确分析任意位置偏差。

4）数字化采集、兼容性好，后期处理及输出简单。

5）检测项目齐全，检测数据可溯性强。

本次三维扫描数字化检测用于汽车车门，得到了想要的检测结果。纵观整个汽车行业，存在着大量的工件检测需求，而传统检测方式无法有效解决，但三维扫描数字化检测可以补充这一空缺，三维扫描与这一行业的结合会更加深入，更多的应用场景等待着这一技术去开拓。