汽車底盤硬點測量&掃描技術的應用

梁建國，石超，梁志桐

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汽車底盤硬點測量&掃描技術的應用

梁建國，石超，梁志桐

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

在整車研發過程中，底盤性能研發對產品開發周期有著重大影響，而底盤性能取決于底盤硬點的精度。文章主要論述底盤硬點的驗證，運用測量技術和點云掃描相結合，為縮短汽車底盤開發周期提供準確可靠的數據支持。

底盤硬點；矩陣；測量技術；掃描

前言

我國汽車工業正在高速發展，市場競爭日趨激烈，更新換代的腳步不停在加快，對產品的開發也提出了更新、更高的要求。為滿足市場需求，企業必須在有效的產品開發周期內開發更多、更舒適的、性能更優越的新車型，而底盤研發作為產品開發中的重要一環，底盤性能試驗工作順利有效地開展，可以大大的縮短產品開發周期。

汽車底盤硬點（硬點就是重要的安裝點等）是底盤工程總布置設計過程中，為保證零部件之間的協調和裝配關系，及造型風格要求所確定的控制點（或坐標），對汽車的駕馭性能有著重要影響。底盤硬點測量范圍較大、測量空間狹窄和結構復雜，常規的采用便攜式測量臂（CMM測量精度高、硬件柔性好）進行測量，始終有部分硬點無法顧及，無法保證硬點數據的完整性。而應用測量技術&點云掃描的結合，既可以保證測量數據精度又增加了硬點數據的完整性，為汽車底盤開發提供完整可靠的數據支撐，提高產品開發效率，縮短開發周期。

1 硬點測量流程

底盤硬點測量是獲取特定車身設計狀態下底盤硬點的數據，然而汽車底盤在不同狀態下底盤硬點的空間位置有很大的變化。因此，測量的車身姿態和設計姿態不一致會導致硬點位置發生變化，測量前必需將底盤硬點的測量姿態盡可能調整與設計姿態一致，以保證硬點數據的準確性。在測量狀態達到要求后，選取底盤關鍵RPS（基準參考系統）基準特征擬合整車坐標系，將分區域測量&掃描的硬點數據統一到整車坐標系下，從而獲取到完整的底盤硬點數據。測量流程如圖1所示。

圖1 測量流程

2 測量的難點與解決方案

在實際應用中，因為底盤測量范圍較大、空間狹窄以及結構復雜等特點，常規的方法是使用柔性好的便攜式測量臂進行測量，但始終無法保證硬點數據的完整性，已成為行業內的痛點。由于數據的部分缺失，底盤設計無法得到有效的驗證，造成工作反反復復，效率低下；更有甚者，底盤多輪反復測量得不到有效的驗證，對整車的開發周期造成延期的影響。

為解決上述的痛點，我們通過實踐形成以下測量方案：①將底盤RPS基準運用“矩陣擴展法”進行擴展；②在基準擴展的基礎上采用分區域點云掃描進行底盤硬點數據采集。這樣測量技術與點云掃描的結合應用，既可以保證測量數據精準可靠又使底盤硬點數據的完整性得到最大提高。

3 矩陣原理引入

在整車制造過程中，底盤上有一些關鍵的RPS基準孔，一般情況下，這些孔位等特征元素之間都會存在1mm左右的偏差。如果使用常規的局部測量方法（分別使用不同RPS基準孔建立坐標系），基準偏差較大，坐標不統一，導致測量誤差累積，無法達到硬點設計的精度要求。而采用矩陣線性變換的原理，同一組基準進行擴展，保持基準統一，測量的精度可以達到或優于設計要求。

在數學中，矩陣（Matrix）是一個按照長方陣列排列的復數或實數集合，最早來自于方程組的系數及常數所構成的方陣。

由m×n個數aij排成的m行n列的數表稱為m行n列的矩陣，簡稱m×n矩陣。記作：

其中m×n個數統稱為矩陣A的元素，簡稱為元，數字aij居于矩陣A的第i行 第j列位置，稱為矩陣A的(i，j)元，以數 aij為(i，j)元的矩陣可記為(aij)或(aij)m× n，m×n矩陣A也記作Amn。

矩陣其中一個用途是線性變換，就是在一個矩陣基礎上進行擴展，從而形成一個新的矩陣，獲得新矩陣中的元。

在底盤縱梁上有四個對稱關鍵RPS基準孔位，它們是在整車坐標系下包含（x、y、z）值的一組數據，設為R1、R2、R3、R4，即R=f(x、y、z)，這四個關鍵RPS基準孔可以視為一個2×2的四元矩陣，即為：

根據矩陣變換的性質，可以將四元矩陣進行線性擴展，擴展為所需要的多元矩陣。如2×6的12元矩陣、4×4的16元矩陣、4×6的24元矩陣等，下面為2×6的12元矩陣圖：

4 實際案例

首先，將汽車移動到剪式舉升機平臺上，模擬實際情況下汽車的載荷情況，采用添加鉛塊的方式施加配重，并通過四輪定位及相關基準特征來檢驗汽車實際車身狀態與設計狀態的偏差并調整，達到測量狀態要求。

將車輛升起合適高度，測量設備放置在底盤中部，在底盤中部選取4個關鍵RPS基準孔（如圖3），使用測量設備依次測量孔位實際坐標值，與原型車相對應的理論坐標值進行最佳擬合，建立坐標系。

圖3 建立整車坐標系

在汽車前、后懸架硬點周邊粘貼標準鋼球（矩陣球），每個測量部位至少粘貼3個矩陣球（4個最佳），以基準選擇最大化原則進行布置（范圍覆蓋前懸或后懸硬點）。直接用測量設備在當前坐標系下分別測量每個矩陣球的中心坐標值，所得矩陣球中心坐標值為原車4個關鍵RPS基準點的矩陣擴展，記為R5、R6、R7……，符合坐標函數f(x、y、z)的線性變換原則，即添加的矩陣球為原車矩陣線性變換新增的元，新增的矩陣球和原車的RPS基準孔坐標統一、精準可靠，克服了前、后懸架硬點測量時的基準偏差，測量精度只取決于設備精度（≤0.06mm）。

分別將測量設備移動到前懸或后懸的硬點測量區域（如圖4），直接測量RPS矩陣球的坐標值，與原車擴展的相對應的矩陣球實測值作為理論值進行最佳擬合，建立局部坐標系（與整車坐標系一致）。然后在此坐標系下進行底盤硬點測量，獲取測量數據。

圖4 硬點測量區域

4.1 點云數據采集

設備都會有一定的量程范圍，激光掃描設備（Creaform三維數據掃描儀等）也不例外。當掃描尺寸較大工件時，設備量程不足導致工作無法一次性完成，則需要進行分塊掃描，比如車身外表面及結構復雜物體的某些表面，這樣就需要設備在不同的角度上多次掃描，由此得到的點云會引入誤差，導致精度下降。而引入矩陣方法，利用矩陣線性變換原理，分塊點云掃描，再與矩陣球擬合統一坐標系，可減小點云拼接帶來的誤差，提高點云精度。

將掃描設備移動到前、后懸架區域，在需要掃描的硬點部位附近粘貼適量“坐標靶點”，開啟設備采集“坐標靶點”并識別跟蹤，以設備為基準原點對底盤硬點進行掃描，掃描到的分塊點云內容必須概括至少3個RPS矩陣球。圖5為掃描后的左前點云數據：

圖5 左前輪胎點云

4.2 應用 PolyWorks 分塊數據對齊

PolyWorks主要應用于點云數據的處理，是由多個模塊組成，并能夠簡化和加快處理數據的軟件。具備尺寸分析、3D建模、點云掃描等功能，且支持多種原始點云和三角化模型格式，可以滿足不同條件下的工作需求。而IMalign作為其中數據對齊模塊，能夠高精度、高效率的處理點云數據，并基于形狀特征將分塊點云數據精確對齊。

首先將原車RPS基準孔擴展的矩陣球作為CAD模型以及各個分區域的點云數據同時導入I Malign模塊中。以其中一塊點云數據作為參考模型，在編輯中選擇分割移動單元，將數據中矩陣球與其它點云分割移動。選擇對齊模式“最佳擬合數據至參考對象”，以CAD矩陣球作為參考對象，點云矩陣球作為數據對象，采用n點對齊模式，即在兩幅點云中的公共特征位置相應選取n對點（至少要3對點）進行粗略對齊，再用best-fit alignment & comparison 進行精準對齊并優化，實現整車坐標對齊。

鎖定對齊好的點云，依次將為未對齊的分塊點云參考CAD矩陣球進行精確擬合對齊，優化對齊結果，統一到整車坐標下，獲取完整的底盤硬點數據。

圖6 分塊點云擬合

5 總結

在底盤硬點數據采集中，便攜式測量臂以強大的硬件靈活性及高精度得以勝任，但底盤結構復雜、測量范圍較大，導致部分硬點數據無法采集，若采用局部測量方法，基準不統一，偏差較大。點云掃描可以高精度高效率獲取數據，但數據量大且不可避免的存在誤差累積。本文在實際應用中引用矩陣的線性變換，在底盤關鍵RPS基準孔線性擴展的基礎上進行測量&點云掃描，即保證了底盤硬點的測量精度，且增強硬點數據的完整性。

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Hard Point Measurement of Automobile Chassis & Application of Scanning Technology

Liang Jianguo, Shi Chao, Liang Zhitong

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

In the whole vehicle development process, chassis performance research and development has a significant impact on product development cycle, and chassis performance depends on the accuracy of chassis hard point. This paper mainly discusses the verification of chassis hard point, using measurement technology and point cloud scanning to provide accurate and reliable data support for shortening the development cycle of automobile chassis.

Chassis Hard Point; Matrix; Measurement Technology; Scanning

U462

A

1671-7988(2019)08-74-03

U462

A

1671-7988(2019)08-74-03

梁建國，男，測量工程師，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.023