基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測技術

李麗娟，高 姍，林雪竹

（長春理工大學 光電工程學院，吉林 130022）

基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測技術

李麗娟，高 姍，林雪竹

（長春理工大學 光電工程學院，吉林 130022）

以某汽車翼子板為例，結合產品工件的自身特點，通過Handyscan手持式自定位三維掃描儀對其掃描得到點云數據，利用逆向造型軟件對點云進行數據處理，應用Geomagic Qualify 軟件，把點云與原始設計模型進行對齊、3D比較，檢測產品工件的尺寸偏差，分析偏差來源，為實際設計改進提供技術依據。

Handyscan；Geomagic Qualify；3D分析；偏差分析

0 引言

設計、制造與檢測是工程技術領域的三大重要環節，計算機輔助設計、分析和制造技術的應用日益普及。在實際生產過程中，產品工件的設計更新不是一蹴而就的，需要經過設計、制造、檢測、改進、再設計等不斷重復的過程，直到得出符合生產要求的工件[1]。

在車輛某工件的設計測試或量產裝配過程中，實際生產的工件可能會與其設計的CAD模型出現偏差，導致工件安裝不合格，出現偏差或間隙斷差，影響整體的生產過程。而解決問題需要找出出現問題的原因，單純的裸視來進行檢測很難找出其根本原因。這時，我們就需要知道現下工件表面和各個特征部分的具體情況，進行設計改進和調節。

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據，得到實際工件的全部點云，利用逆向造型軟件對點云進行數據的預處理，得到完整點云。此時，我們可以用點云進行逆向曲面造型，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出現一定的偏差，對我們的偏差分析會有一定的影響。因此，我們應用Geomagic Qualify 軟件，將點云數據直接與工件的CAD模型進行比較，從而獲得信息豐富全面的工程彩圖檢測結果，可方便地得出工件的誤差情況[2]。

1 數據采集

1.1 三維掃描技術

測量方法根據測量結果的不同方式，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、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數信息的測量方法。非接觸式三維信息獲取技術大多基于計算機視覺原理，需要結合攝像機拍攝的圖像和目標與攝像頭的位置關系。文中采用非接觸式的三維測量技術對某汽車的翼子板進行掃描元件。三維掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。

手持式自定位三維掃描儀（Handyscan 3D）可以實現更容易更快的數據采集。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主要由掃描儀、電源供應系統和計算機軟件輔助系統三部分組成，包括：手持式掃描頭、PCMCIA火線轉接卡、火線電纜、火線電源適配器、筆記本電腦、VxScan掃描軟件等。而其中的重點在于掃描頭部分，掃描頭的相機部分可用于查看點及接受激光，其中的8個LED發光點可屏蔽外界干擾。掃描頭是系統輸入的開始，相機部分負責拍攝工件照片，并將其送入到電腦內存，通過軟件進行圖像處理和被測點空間坐標的解算。Handyscan測量系統的測量過程（如圖2所示）是通過相機部分追蹤工件上的標志點來進行的，需注意，掃描時2個相機要垂直于所掃標志點或板面進行工作。十字激光發射口會出現交叉的紅色十字II級激光，手持掃描儀進行掃描時，注意不要擋到激光發射口。在進行測量時，需要確保相機部分能夠看到工件上的靶標點，只要相機能夠追蹤到三個以上的靶標點，系統就可以立刻解算出標志點的三維坐標，實時性非常高，實現了追蹤即測量。

圖2 Handyscan三維掃描儀的測量應用

三維激光掃描儀所采用的最基本的方法有飛行時間法（time of flying，ToF）和三角測量法。飛行時間法利用激光發射到接收之間的時間延遲來計算距離。但由于光波的飛行速度達3×108m/s，為達到較高的距離測量精度，對于定時系統的時間分辨率有特別高的要求，較難在技術上得到實現。三角測量法則以傳統的三角測量為基礎。由于三維面型對結構照明光束產生的空間調制改變了成像光束的角度，即改變了成像光點在接收裝置陣列上的位置，因此通過對成像光點位置以及系統光路的幾何參數的確定，可最終計算出掃描對象與激光發射器的距離[3]。因此，近年來激光三維技術的發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用雙三角測量方式來進行測量的。

2 計算機輔助檢測

2.1 點云數據處理

由Handyscan三維掃描儀掃描后得到的點云數據，需要進行數據處理，去除飛濺點、雜點和非連接點，進行點云過濾[4]。Geomagic Qualify軟件是一款計算機輔助檢測軟件，僅可對點云數據進行簡單操作，為此需先把點云文件導入到具他有逆向功能的專業軟件中進行處理。本文我們將點云輸入到Imageware軟件系統中，可以直觀地看出工件數據是否全面，且可及時評估點云的質量，如有問題，我們可以直接補充不全的數據點或重新掃描工件數據點，而不用等到設計中途再反復掃描,節省了重復操作的時間。圖3所示為Imageware軟件處理點云的前后對比圖。

圖3 汽車工件點云數據處理前后對比圖

2.2 Geomagic Qualify軟件應用

隨著我國航空、汽車、機械等工業的迅速發展和市場競爭的日益激烈，計算機輔助檢測技術（CAI）作為提高產品質量的重要手段，也日漸形成為一門獨立的學科并獲得了迅速的發展[5]。Geomagic Qualify軟件具有強大的三維檢測功能，通過點云數據與實際生產工件的CAD模型之間快速、明了的圖形比較，可對工件進行首件檢驗、在線或車間檢驗、趨勢分析、2D和3D幾何測量以及自動化報告等，從而快速并準確地完成檢測任務。

3D數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行對齊比較；最后，對比較結果進行評估并得出報告。

2.2.1 特征與對齊

1）用Geomagic Qualify軟件進行質量檢測前，先要對所獲得的點云進行處理，主要有刪除噪音點和點云的拼 接等操作，待得到完好的點云數據再進入檢測過程。狀態欄的“圖形區域”打開處理后的點云數據做為測試模型，再導入實體工件的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，可自動創建；而參考模型也可以由快捷特征來自動識別。

3）Qualify軟件中的對齊包括點云數據對齊和完整的測試模型與參考模型的對齊。點云數據對齊主要應用于大型工具的點云拼接對齊，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，來實現位于不同坐標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云數據與實體CAD模型對齊（如圖4所示）?；谔卣鲗R比較適合于形狀規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偏差比較小的時候。所以比較適合測試特定的工件，來實現技術要求。也可以根據實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 點云與工件基于特征對齊

2.2.2 3D分析和生成報告

質量檢測軟件Geomagic Qualify的核心步驟在比較分析上，通過3D分析，得到一個更能表現出工件真實狀況的結果對象。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，來實現點云數據和實際工件的比較[7]。通過3D分析，可以直觀的看出實際工件與設計工件之間的偏差。圖5，6，7為工件的3D分析圖。

圖5 3D比較

圖6 創建注釋

圖7 上下偏差

最后，生成報告。報告中包含平均誤差、偏差分布、標準偏差的圖表和直方圖等，可以更直觀的了解實際工件的偏差，有利于改進設計。圖8所示為工件的標準偏差圖表與直方圖。

圖8 標準偏差

3 工件的偏差分析

誤差的存在，會在一定程度上歪曲客觀事物的規律性，導致錯誤的結論，從而影響我們客觀地判斷事物的準確程度，無法得到精確的實驗結果。在汽車翼子板的實際測量中，工件表面的曲面變化情況較為復雜，用傳統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際情況，Handyscan在半米內的測量精度可以達到0.01mm。但是，Handyscan三維掃描儀本身系統中就存在一定的微小誤差。如果在掃描儀搬運或移動后，沒有及時校準就進行測量，還會使誤差家具變大，進而較大的影響影響測量結果。在對工件進行設計計算的過程中，以上情況都需要考慮進去。

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”，有可能是生產時加熱造成的。出于空氣動力學的考慮，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，“3D比較”對話框的左下角統計出了工件的正負最大距離、平均距離和標準偏差。圖6中的軟件界面拉出了各個顏色區域的具體偏差數值，并對注釋列表，在狀態欄中列出了，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。圖8表示出的標準偏差有具體的點數、所占百分比和直方圖顯示。同時，在生成的報告中，各個圖像、偏差值和全局坐標也有所顯示。

Geomagic Qualify軟件具有強大的三維檢測功能，它是在保留原始設計意圖的基礎上，通過改變某些高級定義參數獲取系列化模型，或通過內在尺寸及結構布局方面的調整重新設計出新的實物模型，或者對原始設計進行調整，這已成為現代企業開發新產品或產品檢驗的一種重要設計手段。汽車的翼子板就是因需要調整設計而對工件進行的偏差檢驗。

4 結論

以實際汽車翼子板的掃描檢測為例，本文主要介紹了工件的數據掃描與三維檢測。簡明闡述了Handyscan手持式自定位三維掃描儀的數據采集和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云數據和參考對象的CAD模型進行直接比較，生成結果對象并以三維彩色偏差圖模型的形式呈現出來，反映出汽車翼子板各個部位的誤差情況。從而了解工件的具體情況，為汽車工件的設計改進提供依據，更便于適時監控和調整整個生產過程。

[1] 海克斯康測量技術(青島)有限公司.實用坐標測量技術[M].北京：化學工業出版社,2007.

[2] 成思源,楊雪榮,等.Geomagic Qualify三維檢測技術及應用[M].北京：清華大學出版社,2012.

[3] ichti D,Harvey B.The effects of reflecting surface material properties on time-of-flight laser scanner measurements[C]//Symposium on Geospatial Theory,Processing and Applications,Ottawa,2002.

[4] 思源,劉俊,張湘偉.基于手持式激光掃描的反求設計實驗[J].實驗室研究與探索,2011,30(8)：153-156.

[5] 張國雄. 三坐標測量機[M].天津： 天津大學出版社, 1999.

[6] 鄒付群,成思源,李蘇洋,等.基于Geomagic Qualify軟件的沖壓件回彈檢測[J].機械設計與研究,2010,26(2)：79 -81.

[7] 王靈犀,畢磊.轎車后縱梁制造誤差的仿真與修正[J].沈陽理工大學學報,2011,30(4)：40 -42.

[8] 馬金鋒,高東強,林歡,等.基于Geomagic Qualify的曲面模型精度分析[J].制造業自動化,2013,35(9)：6-8.

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，主要研究方向為復雜形面3D精密測量及逆向重構技術。