基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的汽車后橫梁前板尺寸測量

楊金祥， 章海， 陳勝

（浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316000）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對于汽車總成零件的需求在數(shù)量上和種類上在不斷增加；其中后橫梁前板總成零件作為汽車的重要零部件，其裝配在前保險杠后面作為第一橫梁并決定了整車的安全性能。在工業(yè)生產(chǎn)中為了制造出后橫梁前板零件，已有完整的全自動沖壓工藝產(chǎn)線。后橫梁前板零件在沖壓工藝中會形成不同的孔徑的圓和曲面，該重要部分尺寸精度高以滿足裝配要求。在落料沖壓過程中，鈑金材料要和模具緊緊貼合并嚴(yán)格標(biāo)定精確位置，不能在沖壓過程中發(fā)生位置偏移，工藝要求其孔徑和曲面在一定的公差范圍以內(nèi)[1]。因此，對于沖壓后的后橫梁前板的尺寸檢測尤為重要，主要目的是比較劃邊、孔徑、曲面和曲線的測量坐標(biāo)與真實坐標(biāo)之間的偏差，以確保整車的安全性能和提高保險杠的可靠性能。

在以前的汽車后橫梁前板總成零件生產(chǎn)過程中，對于該零件的尺寸檢測主要由人工使用通止規(guī)、塞尺、型面通止規(guī)等工具來完成。現(xiàn)如今隨著機器視覺的圖像處理技術(shù)的日益成熟[2]，該技術(shù)特點是在不觸碰零件的情況下用圖像分析出精確尺寸及抗噪能力強的特點，在現(xiàn)代化工業(yè)總成零件生產(chǎn)測量中有其應(yīng)用。由于圖像處理僅限于二維平面內(nèi)的面積、長度、體積，無法映射出被測物體的真實三維坐標(biāo)信息，并且極易受到光線和明亮度等環(huán)境因素影響。使用線結(jié)構(gòu)光傳感器可以快速掃描汽車的后橫梁前板總成零件。

其線結(jié)構(gòu)光傳感器具有快速、穩(wěn)定性強、測量精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在工業(yè)測量領(lǐng)域[3-4]，零件如圖1所示。

圖1 汽車后橫梁前板

1 線結(jié)構(gòu)光傳感器的原理

線結(jié)構(gòu)光傳感器主要由半導(dǎo)體激光、發(fā)射器凸透鏡鏡片組、接受器凸透鏡鏡片組、CCD感光相機等組成[5]。線結(jié)構(gòu)光傳感器的測量方法可以分為光點式、光線式、光面式[6]，由于該系統(tǒng)基于曲面的三維尺寸測量，所以選用光線式獲取零件的三維坐標(biāo)模型。其原理是：由半導(dǎo)體激光發(fā)生器發(fā)射出激光，經(jīng)過發(fā)射器鏡頭的折射把一束激光衍生為線激光，進而通過空氣傳輸照射在總成零件的表面上，在零件表面會調(diào)制漫反射把線激光射入另外一個鏡頭，緊接著折射出的線激光束會被傳輸，并且通過接受器凸透鏡傳到CCD相機中，在相機中傳輸?shù)诫娔X里經(jīng)過圖像處理可以分析所接受的激光線條，并通過大量的線激光條解析可以得到總成零件的模擬圖像。其主要利用三角原理計算光平面和零件表面輪廓相交的光條，進而得到物體的三維坐標(biāo)，如圖2所示。

圖2 線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)

2 點云平面擬合算法研究

2.1 點云數(shù)據(jù)和二值化處理

通過線結(jié)構(gòu)光傳感器獲得了具有X、Y、Z三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)庫，但是為了簡便計算測量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通常會把零件的點云數(shù)據(jù)庫三維形態(tài)特征映射到鳥瞰圖像。點云坐標(biāo)軸和圖像坐標(biāo)軸有著明顯的區(qū)別，在圖像坐標(biāo)軸中原點位于左上方且坐標(biāo)值為正整數(shù)，在點云坐標(biāo)軸中坐標(biāo)值為實數(shù)，X軸向前為正、Y軸向左為正、Z軸向上為正。點云數(shù)據(jù)庫映射到灰度圖像素位置的原理為保持點云坐標(biāo)的X、Y方向不發(fā)生改變，然后從數(shù)據(jù)庫中獲取Z軸的最小、最大的高度值進行二次縮放以適應(yīng)0～255的范圍的圖像坐標(biāo)，所得到的灰度圖像如圖3所示。

圖3 后橫梁前板的灰度圖

2.2 基于總體最小二乘法擬合點云平面

使用最小二乘法在點云數(shù)據(jù)上擬合[7]最佳平面，假設(shè)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差在X軸上，其平面擬合的方程為x=ay+bz+c。設(shè)觀察點云數(shù)據(jù)為n時，以X軸作為觀察軸可以得到觀測方程為x+W=ay+bz+c。可將該進行數(shù)值變換為矩陣誤差方程為

由最小二乘法的基本原理可得WTPW最小時，再進行等權(quán)平方差可以解出X?，即為式X?=(BTB)-1BTl。將所得的數(shù)值代入到平面擬合的方程就能擬合最佳點云平面。

2.3 特征值擬合點云平面

使用特征值法[8]擬合點云平面，設(shè)后橫梁前板點云的特征值擬合方程為

并將解出的A、B、C值代入式（2）中即可用特征值法擬合最佳的點云平面。

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)該系統(tǒng)的方案，可以對線結(jié)構(gòu)光傳感器獲取的汽車后橫梁前板模型進行三維坐標(biāo)的實時測量。為了擬合平面特征模型并對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行了多組數(shù)據(jù)的測量，并通過對比標(biāo)準(zhǔn)的X、Y、Z坐標(biāo)值來驗證系統(tǒng)的精確性和便捷性，得到的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 測量結(jié)果 mm

表2 測量公差 mm

從表2中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的測量公差控制在0.01 mm范圍內(nèi)，其中X軸的測量公差在0.009 mm范圍，Y軸測量公差在0.002 mm范圍左右，Z軸測量公差在0.012 mm范圍左右，原坐標(biāo)系的測量公差為0.015 mm范圍左右。通過大量的實時測量數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在測量后橫梁前板時測量精度達(dá)到生產(chǎn)要求，并且實時的非接觸測量為工業(yè)生產(chǎn)提高了生產(chǎn)效率并確保了整車的安全性能。

4 結(jié)語

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對于汽車的需求也越來越多并趨向于功能化和智能化，與此同時也促進了汽車零部件工業(yè)的發(fā)展。在保證安全性和美觀性的前提下，本文提出了一種提高總成零件生產(chǎn)率的線結(jié)構(gòu)光傳感器的汽車后橫梁前板尺寸測量系統(tǒng)。使用CCD攝像機可以高像素、清晰、穩(wěn)定地捕捉總成零件的三維外貌特征，經(jīng)過二值化處理得到灰度圖，用總體最小二乘法擬合零件點云平面或用特征值法擬合零件的點云平面，測量汽車后橫梁前板的各個X、Y、Z坐標(biāo)值數(shù)據(jù)。最后將實時測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)零件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)的測量精度控制在0.01 mm范圍內(nèi)，因此該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測量后橫梁前板的位置尺寸，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)中對于總成零件的測量要求。