面向白車身的三坐標測量路徑自動規劃研究

谷慶

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海201201）

0 引 言

白車身尺寸精度是車身裝配質量的量化表現，直接影響到整車的密封、噪聲、動力性和外觀等。對白車身關鍵功能點的尺寸進行檢測確保其符合質量標準是制造過程中必不可少的環節，常用的測量設備按檢測方式可以分為接觸式和非接觸式。在汽車行業中，接觸式設備以雙臂式三坐標測量機為代表，非接觸式設備主要包括Vision激光測量、藍光點云測量等[1-2]。三坐標測量機通過觸發零件表面獲得精度高的尺寸信息，往往作為非接觸式測量設備的對標樣本，但其檢測效率低、自動化程度不高一直是工程中亟需解決的難題。本文通過對三坐標測量原理的介紹和實際檢測路徑規劃難點的剖析，結合路徑規劃所涉及算法的研究，探究如何實現面向白車身的三坐標測量路徑自動規劃。

1 三坐標測量系統

雙臂式三坐標測量機是大型結構件常用的檢測設備，其工作空間大、雙臂配合、測頭搭配種類多、探針形狀多樣等特點能夠滿足大型復雜結構件的檢測要求。通過離線軟件編程獲得遍歷所有測量特征同時符合測量標準的白車身尺寸檢測路徑，現場驅動雙臂式三坐標測量機進行測量從而獲得關鍵功能點的尺寸信息，再利用監控報警軟件處理測量獲得的尺寸數據進行車身質量預警，從而實現關鍵測點和自由型面的尺寸控制。

雙臂式三坐標測量機是五軸觸發式測量設備，由沿X、Y、Z軸移動的機械臂和繞兩軸轉動的測頭組成。通過機械臂空間移動靠近測量特征所在位置，測頭轉動保證測量特征的檢測可達性，測頭在較大的范圍內旋轉使得車身內外表面及特殊矢量方向的特征尺寸信息能夠被采集。雙臂式三坐標測量機結構如圖1所示。

圖1 三坐標測量機的結構

測頭由感應器、探針、接長桿和連接傳輸零件組成，繞與車身坐標系X軸平行的方向轉動構成A角，A角的轉動范圍是0°～105°，繞與車身坐標系Y軸平行的方向轉動構成B角，B角的轉動范圍是-180°～180°，其中，A、B角的轉動過程是以7.5°為一個分度。測頭轉動范圍如圖2所示。

圖2 測頭轉動范圍示意圖

對白車身測量特征進行檢測時，三坐標測量系統按照如下步驟對尺寸信息進行采集：1）機械臂在三維空間高速移動使探針靠近測量特征；2）根據測量特征的矢量方向調整測頭的姿態以滿足測量標準；3）機械臂高速移動使探針尖部（即紅寶石）到達測量特征的逼近點；4）根據測量特征的檢測要求按一定路徑線對特征進行低速檢測從而獲取尺寸信息；5）檢測完成后低速移動到回退點；6）測量機繼續移動到下一個測量特征重復上述操作完成所有測量特征尺寸信息的采集。上述三坐標測量機的檢測原理如圖3所示。

圖3 三坐標測量機檢測原理

2 測量路徑自動規劃

現有項目中的測量路徑規劃嚴重依賴人工經驗，規劃周期長，結果無法量化，往往會存在規劃路徑在實際檢測過程中不能滿足生產節奏而再次優化的困擾。因此，將人工經驗轉變為自動化系統，研究自學習的方法尋找遍歷所有測量特征的無碰撞路徑成為唯一可行的方向，同時根據現場實際運動參數預測測量路徑的檢測總時間可以避免二次規劃的風險，通過優化算法可以盡可能縮短檢測總時間，實現提高檢測效率、降低檢測成本的目的。

2.1 自動規劃思路

研究學者對于簡單結構件的檢測路徑規劃研究主要存在兩種思路：其一，先進行路徑規劃再對碰撞路徑進行規避，這類思路與現有的基于人工經驗的方法較為類似，按照一定的要素對測量特征進行路徑規劃從而得到某一要素最小情況下的最優測量特征排列順序，再進行碰撞檢驗，如果存在碰撞情況即對其進行規避；其二，先尋找特征間無碰撞最優路徑再規劃遍歷所有測量特征的全局路徑，通過一定規則獲得任意兩測量特征間的無碰撞路徑并計算所需運動時間，再將路徑規劃問題轉化為旅行商問題（TSP）進行解決，從而獲得較優的測量路徑。

第一種思路能夠在較短的時間內獲得測量路徑，在簡單結構件中表現良好，但是面向白車身這類由復雜薄板件焊裝而成的大型結構體時表現不盡如人意，往往前期路徑規劃效果較好，但后期為規避碰撞而添加移動點或改變轉動角度等操作會嚴重影響最終的測量路徑結果。第二種思路先進行碰撞檢測和規避獲得任意兩特征間的最優無碰撞路徑，再根據優化算法將單一路徑進行串聯，從而獲得遍歷所有測量特征一次的無碰撞最優路徑，但是這類方法需要較長的計算時間。

無論是哪種思路，實現測量路徑自動規劃必須要考慮測量機移動過程中的碰撞檢測與碰撞規避的問題。本文將介紹現有碰撞檢測算法與如何實現自動規避。

2.2 碰撞檢測算法

在三維空間中，層次包圍盒法是進行物體碰撞檢測的有效方法，利用體積較大的空間幾何體把復雜的待測物體包圍起來，再利用相交測試或投影的方法進行計算判別。根據包圍盒生成方法的不同，常用的包圍盒法可以分為：球形包圍盒檢測、軸向包圍盒（AABB）檢測、方向包圍盒（OBB）檢測、離散方向多面體（K-dop）檢測等[3]，這些算法根據自身的特點分別在不同的場合具有良好的效果。方法原理如圖4所示。

圖4 層次包圍盒法

八叉樹法也是碰撞檢測的有效算法，利用正方體對待測物體進行包絡，將正方體等分成8個小的正方體，如果小的正方體內部存在待測物體則保留，否則舍棄，反復進行分割操作使得包絡體盡可能接近待測物體的形狀，再利用相交測試的方法進行碰撞與否的判別。方法原理如圖5所示。

圖5 八叉樹法

射線追蹤法是將探針的移動過程轉化成線與面的交點計算，探針的運動軌跡被認為是一條直線，待測物體被分為多個平面，通過空間幾何運算判斷是否存在交點，如果存在則認為發生碰撞。方法原理如圖6所示。

圖6 射線追蹤法

軸向包圍盒法、八叉樹法和射線追蹤法都適用于白車身測量過程中的碰撞檢測。軸向包圍盒法簡單高效，適用于機械臂運動過程中的碰撞判別；八叉樹法具有較高的檢測精度，適用于測頭的轉動與移動過程中的碰撞檢測；射線追蹤發精度更高，適用于探針在轉動和移動過程的碰撞檢測。對于復雜結構的白車身而言，碰撞檢測的精度尤為重要，如果未能檢測到碰撞則會在實際過程中損壞設備，包圍盒太過粗獷時容易導致沒有碰撞的過程被認定為發生碰撞，則需要進行碰撞規避，造成最終的測量總時間過長。通過結合軸向包圍盒法、八叉樹法和射線追蹤法進行碰撞檢測，實現白車身測量過程中的碰撞檢測[4]。

2.3 碰撞規避

現有的研究中通過設置安全平面來進行碰撞規避，測頭采集特征信息后都退回到安全平面再進行下一測量特征的檢測。此類方法在簡單幾何體或單一零件中表現較好，在白車身的檢測中則不適用。

通常情況下，將人工經驗轉化為規則運用到碰撞規避是最為有效的方法。常用的規則包括以下3種方式：1）沿測量特征的矢量方向添加移動點；2）尋找測量特征的中點再根據一定規則添加移動點；3）沿X、Y、Z軸移動至下一特征所在平面設置移動點。此外還可以利用現有的智能算法進行無碰撞路徑的搜尋，如研究較多的A*算法等。

2.4 路徑規劃

本文采用思路二的方法進行路徑規劃。通過2.2節和2.3節的算法獲得兩兩特征間的無碰撞檢測路徑，代入運動參數可以獲得無碰撞路徑的時間。

旅行商問題是一個NP難的問題，旅行商需要到N個城市推銷商品，可以從任意一個城市出發，遍歷所有城市后回到起始城市，要求走過的路程最短。

在白車身測量路徑規劃中，任意兩特征間的無碰撞路徑所需時間即為城市之間的路徑，探針需要遍歷所有特征最終回到起始位置，要求測量的總時間最短，因此可以將白車身測量路徑規劃問題轉化為旅行商問題進行解決。

由于白車身上布置的測點數目眾多（大于1000個），利用遍歷所有路徑的方法。常用的解決旅行商問題的智能算法包括遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、粒子群算法、神經網絡等[5-6]，它們的基本思想是通過生成新的路徑，按照一定概率判斷是否接受新路徑，通過不斷縮小接受概率實現收斂，最終獲得測量總時間最短的檢測路徑。

2.5 DMIS格式轉換

自動規劃系統生成的路徑包括測量特征信息、移動點信息、轉動角度信息及接長桿尺寸信息等。在DMIS語句中，針對上述信息都有固定的語言格式，通過信息的差值最終可以獲得完整且可運行的DMIS語句。其中，對于不同測量特征，如面點、棱邊點、圓孔、外圓、圓槽、方槽等，不同特征的語言格式也不同，需要加以區分。最后加上表頭文件就可以移交車間進行實際測量。

2.6 離線軟件驗證

將生成的DMIS文件導入到離線編程軟件中進行驗證。驗證結果如圖7所示。

圖7 離線軟件中驗證

3 結 語

三坐標測量因其較高的檢測精度具有存在的必要性，但人員和時間的投入降低了其優勢，因此研發面向白車身的測量路徑自動規劃系統能夠減少成本的投入、提高檢測的效率，同時優化測量路徑可以留出更多的時間用于工程中的特殊測量。但三坐標測量機類型繁多、白車身結構復雜，三坐標測量路徑自動規劃系統的通用性和準確性還有待于進一步研究探索。