基于三維光學掃描的發動機氣管質量檢測方法

羅亞東　李桂濤　邱汝鋒

摘 要：發動機氣管產品設計初期，須制造產品樣機驗證設計方案。在無檢具的情況下，常規檢測設備無法實現產品檢測。利用三維光學掃描設備結合檢測軟件，采集產品點云數據、點云雜點噪點數據處理、產品模型與點云數據基準對齊、尺寸分析可實現產品制造質量檢測。通過具體樣件檢測驗證分析，找出了同批次產品裝配干涉問題點，為產品后續改進提供了數據參考，驗證了此方法的可行性。

關鍵詞：三維光學掃描 發動機氣管 點云數據 點云處理 基準對齊 數據分析

1 引言

汽車發動機部件產品設計完成后，需要制作產品樣機進行裝機驗證。產品樣件屬于非定型驗證性樣品，基于成本等因素，供應商往往不開成品模及制造檢具。這就給樣件制造質量檢測帶來了困難。汽車各零部件設計時，產品需要裝配到整車坐標系下，發動機氣管樣件設計時考慮導流及周邊零件避讓等因素，存在彎曲弧度，管路彎曲弧度交匯點在整車坐標系下的位置為關鍵控制尺寸，常規檢測手段無法實現檢測。由于樣件屬于孤立件，無工裝定位加持，利用三坐標測量機檢測同樣無法實現。

本文運用結構光掃描設備對發動機氣管進行數據采集，將采集到的零件點云數據進行拼接、去噪處理后，根據零件要求，快速對齊到設計基準，進行特征、曲面點、構造點等關鍵尺寸檢測。

2 基礎理論及應用

2.1 結構光柵投影數據采集

結構光柵投影技術基本原理為，將光柵投影到被測物體表面，被測物體表面上各個存在高度差會導致直紋光柵發生變形，發生變形的光柵攜帶了被測物體表面的三維空間信息，通過對變形光柵進行解調，可得到被測物體表面上各點的高度信息，原理如圖1所示。

入射光線E投射到參考面A點，放入被測零件后，入射光線投射到被測零件上D點，此時A點從圖示方向觀察就移動到新位置B點，距離AB包含了高度信息z=h（x，y），即高度收到了表面形狀的調制。將變形光柵解調影線，即可得到被測物體表面位置信息。

本文采用ATOS III進行發動機氣管數據采集。需要檢測的發動機氣管有同一供應商一批次5根氣管圖示2，此批次氣管零件在發動機具體裝配時存在匹配不到位問題，需要查找具體問題來源。采集過程見圖示3。

2.2 點云數據處理

數據采集過程中，由于測量設備的標定參數、測量環境及人為操作設備等因素會帶來數據誤差，產生失真點數據，通常將此類誤差點稱為“壞點”或“跳點”。通過掃描數據采集到的原始點云數據，需要對其進行三角網格化顯示處理圖4，運用此方法對失真點進行篩選及剔除的應用。

2.3 點云數據與設計CAD數據對比分析

三維掃描數據是在設備坐標系下采集得到的，零部件進行檢測分析前，需要將掃描數據與零件設計基準對齊，通過逆向處理軟件Geomagic Design X來實現基準對齊，在GeomagicDesign X中，首先提取氣管CAD模型中設計基準：基準平面A、基準軸線B及基準平面C，確定數模理論坐標系。下一步，提取基準平面A、基準軸線B、基準平面C區域對應的點云數據，根據提取的區域點云，分別擬合基準平面、基準軸線、基準平面，確定點云坐標系（圖示5）。

將點云數據中提取擬合的基準平面、基準軸線、基準平面分別與CAD模型中基準平面A、基準軸線B及基準平面C一一關聯，即確定點云坐標系與數模坐標系的相對關系（圖示6）。最后軟件通過自帶算法平移旋轉點云，使點云坐標系與數模坐標系一致。

2.4 零件制造質量檢測驗證

零件掃描數據對齊后，即可按圖紙要求進行零部件尺寸檢測。利用三維結構光掃描可實現零件整體偏差趨勢檢測及尺寸檢測。零件整體偏差趨勢可借助于彩虹圖的形式給出，將零件給定的上下公差進行均等分段，每分段賦予不同顏色顯示，如圖示7發動機氣管零件1整體偏差分析。將上下公差±0.2mm均分5段，每段賦予不同顏色，則氣管零件偏差變化趨勢即可直觀顯示。

曲面是構成產品表面幾何特征的重要組成部分，根據點云數據擬合特征進行對比發現，對于常規的平面、球面一般采用線性最小二乘法擬合，而對于圓柱及圓錐則一般采用非線性最小二乘擬合。

其中，O=（，，）為圓柱面軸線上的一點，a=（m，n，l）為圓柱面軸線方向的單位矢量，R為圓柱面的半徑。

對于圓柱面的擬合，采用非線性的方法，需要對圓柱面進行重新參數設置，其中，為圓柱面上距原點o距離最小的點;為圓柱的軸線方向;為點處的最大曲率值;為圓柱面的半徑。利用近似距離函數=來表示任一數據點到圓柱面的距離。

圓柱面的求解過程采用Levenberg-Marquardt迭代法。迭代初值通過計算數據點的局部曲率特性來確定。選取帶擬合區域的任意一點，計算該點的主曲率，及主方向，，設最大曲率為參數的初值，設為n（參數和）的初值，最小曲率方向作為，可以確定的初值，參數的初值設為0。

運用上述方法，提取本例中發動機氣管圓柱區域點云1、圓柱區域點云2、圓柱區域點云3（圖示8）分別進行擬合圓柱1、圓柱2、圓柱3，求得圓柱1與圓柱2軸線交點C及圓柱2與圓柱3交點D（圖9），通過計算對比證實各位置偏差符合圖紙設計要求。

3 結論

發動機氣管設計初期定型的樣件，在無檢具及常規檢測方法情況下，運用三維結構光掃描設備進行產品制造質量監控。從基本原理及運用方法、實施流程等過程為樣件在制造過程中對點云數據采集、原始數據失真篩選及剔除、點云數據與CAD模型對齊、特征擬合及關鍵尺寸分析提供了真實數據支撐，為分析樣件關鍵尺寸偏差、樣件成型及模具修正給出了有力數據依據，從實際運用中表明此方法有效可行。

參考文獻：

[1]孟凡文，吳祿慎，羅麗萍.三維面部數據采集與NURBS曲面重構[J].激光與紅外，2010，40（3）：334-338.

[2]袁野，謝韶旺.基于逆向工程的曲面模型重構及誤差分析[J].應用科技，2008，35（12）：47—50.

[3]曹照均，李尚平，李冰.多基準點下多視點云拼接對齊方法的研究[J].機械設計與制造，2014，（4）：54-56.