非接觸光學測量技術在車身實驗教學中的應用

武櫟楠，楊昌海，安 月

（1.吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130000；2.中國第一汽車股份有限公司研發總院，吉林 長春 130000）

汽車車身實驗是進行車輛開發、結構設計、性能驗證的必要手段，實驗對象包括整車結構和車身零部件。汽車車身實驗教學是加深學生理論知識、鍛煉動手能力，增強綜合分析和解決問題能力的重要環節，是新工科背景下高等院校培養卓越工程師人才的重要支撐。

吉林大學汽車工程學院尤其注重對車身專業本科生實驗和實踐教學的建設，從2013 版到2020 版本科生培養方案，實驗、實踐教學所占學分和比重逐漸增大。近年來隨著汽車技術的迅速發展以及先進設備的使用，汽車實驗方法不斷更新。車身實驗室將非接觸測量技術引入到實驗教學中，使實驗課程內容與行業發展接軌，讓學生能夠了解掌握先進技術，為日后參加工作打下堅實基礎。

一、非接觸光學測量技術簡介

非接觸測量是指測量器具的傳感器與被測物體的表面不直接接觸的測量方法。非接觸光學測量將光電技術、機械測量、計算機技術相結合，利用光學測量頭記錄被測物體的外形尺寸、坐標位移、變形應變等數據。根據測量原理的不同，非接觸光學測量方法分類如圖1 所示。由于其測量精度高速度快、不需要與被測物體接觸等優點，非接觸光學測量已經成為現代測量領域的重點，在機械制造、航空航天、土木建筑等領域應用廣泛。

圖1 非接觸光學測量方法分類

二、汽車車身實驗教學簡介

吉林大學汽車工程學院車身實驗室成立于1988年，實驗室建筑面積約2 000 m，擁有實驗儀器設備約200 臺套，總價值約8 000 萬元。通過幾十年的經驗累積與不斷改進，車身實驗室已經建立了完整的汽車車身專業本科生實驗教學體系，開設了18 門實驗課程，共計68 個實驗項目，226 個實驗學時，每年完成約400 名本科生近1 000 學時的實驗實踐教學任務，成為培養優秀汽車工程人才的重要支撐。

目前車身實驗室擁有的非接觸測量設備包括三維光學掃描系統以及非接觸應變測量系統（高速、低速各一套）。三維光學掃描系統（ATOS II，如圖2 所示）由德國GOM 公司生產，其基于光柵投影技術，利用兩個CCD 相機可以在極短的時間內獲得復雜工件表面的完整點云，具有測量效率高、范圍大、操作簡單等優點，在車身行業主要用于汽車車身零部件的逆向工程。三維光學掃描系統是車身實驗室的重要設備之一，從2013 年至今的八年時間利用該設備實施的本科生實驗課程包括車身構造、車身CAD、汽車造型、車身設計、畢業設計以及開放創新實驗等，累計教學近1 000 人次，實驗內容和方法在國內高等院校汽車車身專業處于領先地位。

圖2 三維光學掃描系統（ATOS II）

車身實驗室2018 年購入的美國CSI 公司生產的非接觸應變測量系統（VIC，如圖3 所示）由高分辨率的圖像采集系統、計算機和采集分析軟件組成，基于數字圖像相關（Digital Image Correlation，簡稱DIC）技術，能夠計算出2D、3D 全場形狀、位移及應變數據。在車身行業主要用于材料拉伸、壓潰、破壞的位移和應變測量、車身零部件的振動測試等。由于設備昂貴、專業性強、操作難度較大，目前國內應用非接觸應變測量系統進行本科生實驗教學的院校非常少，車身實驗室已經進行了3 年的非接觸應變測量系統實驗教學探索，累計教學約200人次，涉及的本科生實驗課程包括車身實驗學、汽車碰撞安全性、開放創新實驗等，實驗內容和方法在行業內具有一定的先進性。

圖3 非接觸應變測量系統（VIC）

三、非接觸光學測量技術實驗教學實例

（一）白車身逆向建模及主斷面測繪

白車身是整車的重要組成部分，主要包括車身結構件和結構加強件，是整車性能配置的依托基礎。車身主斷面指能夠反映車身主要結構關系并且能夠支持和控制車身后續結構設計的主要斷面。主斷面的設計是車身設計中的重要環節，貫穿整個車身開發過程。作為汽車車身專業的本科生，了解認識白車身結構，測繪設計主斷面是必須掌握的重要技能。

傳統的車身主斷面測繪實驗教學，主要以學生拆解白車身、觀察主斷面形狀、用工具測量斷面尺寸并手繪為主，往往出現斷面形狀繪制不準確，尺寸測量不精確，實驗效率低等問題。白車身逆向建模及主斷面測繪實驗使用ATOS II 三維光學掃描儀對白車身結構進行掃描逆向，獲取車身的三維結構模型，再在軟件中進行分析獲得車身斷面2D 圖，能夠提高測繪精度和效率，改善實驗教學質量。

白車身逆向建模及主斷面測繪實驗是應用三維光學掃描系統的典型代表，具體實驗過程如下：

1.白車身拆解：由于白車身尺寸較大，實驗前學生需要對白車身結構進行拆解，拆解原則為最大限度地減少拆解后零件的變形，拆解順序依次為白車身內板、中間加強板、白車身外板，對于在中間加強板上的支架類總成件，均歸類到加強板上。

2.粘貼標記點：學生對白車身結構表面噴涂著色劑，將光滑、反光的表面磨砂化，方便后續進行光柵掃描，并在車身結構表面粘貼三維光學掃描儀能夠識別的標記點。以白車身門檻梁為例，拆解并粘貼完標記點的門檻梁如圖4 所示。

圖4 拆解并粘貼完標記點的門檻梁

3.掃描逆向：學生動手操作三維光學掃描儀對實驗對象進行掃描，基于整車坐標系將白車身上的離散標記點掃描入計算機（如圖5 所示），在ARAMIS 軟件中生成點云數據，進行點云優化，特征修復等，并以stl 格式輸出文件，某組學生建立的門檻梁點云如圖6 所示。將stl 文件導入CATIA 軟件中，應用QSR 模塊和DSE 模塊對點云數據進行處理生成三維逆向模型。

圖5 門檻梁掃描過程

圖6 門檻梁點云數據

4.斷面測繪：利用CATIA 軟件的GSD 模塊提取白車身的斷面線，完成主斷面的測繪。某組學生繪制的門檻梁主斷面如圖7 所示。

圖7 門檻梁主要斷面

白車身逆向建模及主斷面測繪實驗是應用非接觸測量技術的代表性實驗課，目前已經開設8 個學期，參加實驗學生約150 人，累計實驗學時300 學時，學生拆解并掃描測量了6 款不同車型的地板縱梁、門檻梁、B柱、側圍等白車身結構。通過該實驗，可以使學生掌握非接觸光學掃描系統的操作方法和逆向建模的基本方法，了解汽車車身結構、掌握車身主要斷面形狀，鍛煉學生的動手操作能力和綜合分析能力。

（二）汽車頂棚拉手拉伸實驗

非接觸應變測量系統采用優化的數字圖像相關性算法，屬于先進的測量設備，在行業內處于領先地位。為了使學生能夠了解并掌握一定的行業先進技術，車身實驗室將非接觸應變測量系統與車身專業特點相結合，開設了汽車頂棚拉手拉伸實驗課程。

具體實驗過程如下：

1.實驗臺搭建：針對不同的實驗內容需要搭建由VIC 系統和其他試驗機組成的測量實驗臺。車身實驗室擁有高速/低速，單目/雙目共四種組合形式的非接觸應變測量系統。實驗過程中學生應選擇合適的實驗設備搭建實驗臺，汽車頂棚拉手拉伸實驗要求拉伸速度為100 mm/min，測量x、y、z 三方向的變形量以及整體變形量，因此選擇低速、雙目測量頭，加載設備選擇微機控制電子萬能試驗機。學生通過硬件線路連接，將VIC 低速、雙目系統的主機、測量頭、三腳架、燈源等組件連接好。

2.粘貼標記點：實驗過程中需要測量汽車頂棚拉手的變形量，因此在汽車頂棚拉手支架部位粘貼VIC 系統能夠識別的標記點，具體粘貼位置如圖8所示。

圖8 標記點粘貼位置

3.相機調試與標定：非接觸應變測量系統屬于精密光學測量設備，每次使用前需對其進行相機和光源調試、標定，以保證測量精度。學生需要調整相機曝光時間、焦距、光圈等參數，使圖像能在顯示器上清晰呈現。選擇與汽車頂棚拉手大小相匹配的標定板，不斷調整標定板角度并采集校正圖像，在VIC-3D 軟件中計算校正圖像分值，小于0.04 表示滿足精度要求，標定過程如圖9 所示。

圖9 相機標定

4.汽車頂棚拉手拉伸：設置萬能試驗機和VIC 系統輸出頻率均為5 Hz，通過同步觸發系統控制VIC 系統開始采集圖像，萬能試驗機以100 mm/min 的速度開始拉伸直到力達到1 000 N，某組學生的實驗過程如圖10 所示。

圖10 汽車頂棚拉手拉伸實驗過程

5.實驗數據處理：拉伸結束后學生在VIC-3D 軟件中導入實驗圖像并計算標記點x、y、z 三方向的變形數據，將得到的標記點整體變形量與拉伸機輸出的力數據進行整合，得到被測點的變形量-力曲線，如圖11所示。

圖11 汽車頂棚拉手拉伸實驗結果

汽車頂棚拉手拉伸實驗屬于新開設的綜合性比較強的實驗，要求學生不僅能夠使用先進設備、能夠根據實驗內容搭建實驗臺，還需要在實驗過程中對出現的問題進行分析并解決。學生通過該實驗可以基本掌握非接觸應變測量系統和電子萬能試驗機的操作方法，對DIC 技術有一定的了解，加強學生的動手操作能力和分析解決問題能力。已經開設了三個學期的汽車頂棚拉手拉伸實驗，得到了學生的良好評價，積累了寶貴的教學經驗，非接觸應變測量系統的實驗教學還有進一步提升的空間：

（1）增加不同角度和速度的實驗工況，擴展汽車頂棚拉手拉伸實驗的實驗內容。

（2）將非接觸應變測量系統應用到車身振動的實驗教學中，更新原有教學內容和方法。

（3）增加DIC 原理方面的探索性實驗，提升教學深度。

四、結束語

汽車車身實驗教學在車身專業本科生教學中占有重要地位，作為吉林大學汽車工程學院的特色專業，汽車車身專業開設了基于非接觸光學測量技術的實驗課程，旨在將實驗教學與汽車行業先進技術接軌，以實際教學案例詳細闡述了三維光學掃描系統和非接觸應變測量系統在車身實驗教學中的使用，所設實驗課程的內容和方法在國內高校實驗教學領域處于領先地位，達到了增強學生使用先進設備、鍛煉學生動手操作和分析解決問題能力的教學目的，取得了良好的教學效果，為培養優秀汽車車身專業人才奠定了基礎。