基于三維掃描輕型商用車(chē)的競(jìng)品分析方法及應(yīng)用研究

摘要：在汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中對(duì)競(jìng)品的整車(chē)、零部件、活動(dòng)件、不同姿態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描，獲取三維數(shù)據(jù)，利用三維軟件（GOM、Catia、UG、ProE等）進(jìn)行處理分析，可獲得競(jìng)品整車(chē)、零件尺寸數(shù)據(jù)、活動(dòng)件行程數(shù)據(jù)、不同姿態(tài)系統(tǒng)變化量數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行整車(chē)總布置設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)、零件逆向設(shè)計(jì)、公差檢測(cè)、活動(dòng)件行程測(cè)量等分析，為車(chē)型開(kāi)發(fā)目標(biāo)設(shè)定提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：三維掃描；總布置設(shè)計(jì)；人機(jī)工程設(shè)計(jì)；逆向設(shè)計(jì)；公差檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469" 收稿日期：2023-12-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.004

1 前言

汽車(chē)整車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在定義整車(chē)內(nèi)外部造型、總布置尺寸、零件選型及尺寸確認(rèn)時(shí)，或競(jìng)品對(duì)比分析時(shí)，通常需要大量的競(jìng)品數(shù)據(jù)來(lái)支撐。經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，采用三維掃描技術(shù)采集競(jìng)品整車(chē)或零部件的三維數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理和分析，是獲取這些競(jìng)品數(shù)據(jù)的最佳方法之一。相對(duì)傳統(tǒng)直尺、卷尺、游標(biāo)卡車(chē)等量具來(lái)說(shuō)，采用三維掃描得到的數(shù)據(jù)三維可視化程度高，可多人多次反復(fù)使用，便于做各類(lèi)定量分析，且分析結(jié)果較其他方法準(zhǔn)確，通過(guò)數(shù)據(jù)積累與分析反過(guò)來(lái)也能優(yōu)化定義。近幾年隨著三維掃描技術(shù)軟、硬件的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集的速度與質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理的效率都有了大幅度的提升，進(jìn)一步滿足了汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的需求［1］。

本文結(jié)合Atlscan型號(hào)手持式三維掃描儀和ZGScan、GOM、CATIA數(shù)據(jù)處理、設(shè)計(jì)軟件，介紹對(duì)競(jìng)品汽車(chē)整車(chē)和零部件的三維數(shù)據(jù)采集、處理分析方法及應(yīng)用。

2 競(jìng)品整車(chē)的三維掃描

三維掃描儀可以快速掃描整車(chē)，將競(jìng)品整車(chē)停放至平整地面，調(diào)整至整備質(zhì)量狀態(tài)，并將輪胎氣壓按照要求調(diào)整至規(guī)定值，保證車(chē)輛狀態(tài)達(dá)到廠家定義。根據(jù)三維掃描獲取的表面數(shù)據(jù)（stl文件）可進(jìn)行整車(chē)尺寸測(cè)量、總布置、人機(jī)工程布置、視野分析等競(jìng)品分析工作。

2.1 整車(chē)三維數(shù)據(jù)采集方法

為保證整車(chē)分段掃描的表面數(shù)據(jù)后期拼接能在一個(gè)坐標(biāo)系里展示，在掃描車(chē)輛表面數(shù)據(jù)之前需獲取“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”。在整車(chē)表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，包括整車(chē)外表面、底盤(pán)、內(nèi)飾、車(chē)廂內(nèi)壁等，標(biāo)志點(diǎn)粘貼遵循如下內(nèi)容：a.標(biāo)志點(diǎn)間隙60～100 mm；b.平面結(jié)構(gòu)少，復(fù)雜結(jié)構(gòu)多，保證同一視角掃描儀至少識(shí)別4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)；c.要求盡量雜亂、無(wú)規(guī)律排列原則，如有高透光、高反光性表面需噴涂顯影劑，然后用三維掃描儀掃描定位標(biāo)點(diǎn)獲取“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”數(shù)據(jù)，如圖1、圖2所示。

在競(jìng)品整車(chē)掃描過(guò)程中由于需掃描部位多，綜合掃描表面積大，最終掃描獲取表面數(shù)據(jù)量將非常巨大，需將整車(chē)分段掃描，為了保證采集的每一段表面數(shù)據(jù)在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，每段掃描前導(dǎo)入前期采集的“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”，便于后期各段數(shù)據(jù)的拼接、裝配。掃描過(guò)程中合理調(diào)整掃描儀分辨率（mm）、快門(mén)（ms）、掃描模式等參數(shù)，以便高效、精準(zhǔn)完成整車(chē)表面數(shù)據(jù)采集。整車(chē)掃描順序參考圖3，分段掃描完成后將各段數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入GOM軟件，數(shù)據(jù)將自動(dòng)拼接為整車(chē)狀態(tài)，可應(yīng)用“裁剪”工具將冗余碎片數(shù)據(jù)和拼接部位重復(fù)數(shù)據(jù)刪除，再應(yīng)用“稀化”工具通過(guò)設(shè)定“曲面公差”參數(shù)將整車(chē)三維數(shù)據(jù)的大小調(diào)整為適當(dāng)范圍內(nèi)。

2.2 整車(chē)三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用

2.2.1 尺寸測(cè)量

尺寸測(cè)量是整車(chē)競(jìng)品分析中的重要工作，相對(duì)傳統(tǒng)量具測(cè)量方式，三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)物數(shù)字化，非接觸測(cè)量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服常規(guī)量具對(duì)曲面、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件測(cè)量誤差較大，對(duì)于空間尺寸、相對(duì)位置尺寸無(wú)法測(cè)量等弊端。將整車(chē)表面數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOM檢測(cè)軟件，通過(guò)軟件提取需測(cè)量部位點(diǎn)，構(gòu)造出線、角度、基準(zhǔn)平面等元素，應(yīng)用“檢測(cè)尺寸”模塊測(cè)量出已構(gòu)造尺寸，最終能形成整車(chē)尺寸測(cè)量報(bào)告（pdf文件）（圖4）或局部尺寸測(cè)量報(bào)告（pdf文件）（圖5）共享全員設(shè)計(jì)參考。

2.2.2 車(chē)身總布置設(shè)計(jì)

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，在競(jìng)品整車(chē)外形及人機(jī)三維數(shù)據(jù)上，應(yīng)用CATIA軟件在提取輪心、H、R等關(guān)鍵點(diǎn)，勾勒出競(jìng)品整車(chē)輪廓曲線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間尺寸（X、Y、Z向）分解。

a.X方向?qū)⒏?jìng)品車(chē)型尺寸分解為前懸（L104）、前輪心到駕駛員BOF（L113）、駕駛員BOF到前R水平距離（L99）、輪心到H點(diǎn)（L114）、H點(diǎn)至座椅腳架（測(cè)量點(diǎn)）（LD1）、貨箱內(nèi)長(zhǎng)（LD2）、后背門(mén)及踏步空間（LD3），再根據(jù)主觀評(píng)價(jià)和項(xiàng)目輸入數(shù)據(jù)（整車(chē)長(zhǎng)、前后懸、軸距等）對(duì)比分析，設(shè)定新車(chē)型X方向尺寸目標(biāo)，如圖6所示。

b.Y方向可分解為坐姿高（H30）、貨箱內(nèi)高、整車(chē)高度、地板高度、駕駛員離地高度、頭部空間尺寸，再根據(jù)主觀評(píng)價(jià)和項(xiàng)目輸入數(shù)據(jù)對(duì)比分析，設(shè)定新車(chē)型Y方向尺寸目標(biāo)，如圖7所示。

c.Z方向截取整車(chē)三維數(shù)據(jù)斷面，分析競(jìng)品整車(chē)外寬、內(nèi)寬、前后排肩肘空間尺寸的合理性，設(shè)定新車(chē)型Z方向尺寸目標(biāo)，如圖8所示。

2.2.3 視野分析

在整車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中往往需要對(duì)競(jìng)品車(chē)型的視野范圍進(jìn)行分析，導(dǎo)入競(jìng)品整車(chē)和人機(jī)三維數(shù)據(jù)，逆向設(shè)計(jì)前擋風(fēng)玻璃邊界、A、B、C、D柱輪廓，根據(jù)法規(guī)要求校核前方180°視野、A柱障礙角（°）、YR前方上視角（°）、YR前方下視角（°）、YR后方上視角（°）、YR后方下視角（°）、YR后方視野和各方向盲區(qū)角（圖9），再引入新車(chē)型預(yù)設(shè)車(chē)身尺寸進(jìn)行視野對(duì)比分析，優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)［2］。

3 競(jìng)品零件的三維掃描

3.1 零件三維數(shù)據(jù)采集方法

在競(jìng)品分析工作中經(jīng)常需要通過(guò)采購(gòu)或競(jìng)品整車(chē)拆解而獲取競(jìng)品零件，為了便于數(shù)字化分析和數(shù)據(jù)保存將會(huì)對(duì)競(jìng)品零件進(jìn)行三維掃描，對(duì)于中小型（制動(dòng)鼓總成、散熱器總成、風(fēng)扇總成等）可一次完成三維掃描的零件相對(duì)整車(chē)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。在零件表面布滿標(biāo)志點(diǎn)之后，調(diào)整分辨率（0.5～1 mm）、快門(mén)（3.0～4.5 ms）、掃描模式等參數(shù)，進(jìn)行“掃描表面”，在零件一面完成掃描后，應(yīng)用“三維編輯”模塊對(duì)多余的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、清理后將零件翻轉(zhuǎn)，以上一面已經(jīng)掃描過(guò)的部位為起點(diǎn)，完成整個(gè)零件表面的表面數(shù)據(jù)采集，再次應(yīng)用“三維編輯”模塊對(duì)多余的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，最終獲取零件的表面數(shù)據(jù)。對(duì)于大型零件總成（如白車(chē)身總成、車(chē)廂總成、車(chē)架總成等）需參考整車(chē)三維掃描方法，先采集整個(gè)零件定位標(biāo)點(diǎn)，再分段掃描后拼接而成。

3.2 零件三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用

3.2.1 競(jìng)品零件三維掃描數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建

在競(jìng)品分析工作中競(jìng)品整車(chē)拆解和采購(gòu)的零件數(shù)量較大，限于競(jìng)品庫(kù)房庫(kù)存壓力，競(jìng)品零件保存期小于兩年，為了便于后期各系統(tǒng)工程師調(diào)用，對(duì)有代表意義的零件進(jìn)行三維掃描，實(shí)物數(shù)字化，建立競(jìng)品零件三維掃描數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)分類(lèi)上傳至PDM系統(tǒng)，目前已完成三維掃描零件數(shù)量為1 700余件。

3.2.2 尺寸測(cè)量

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中需要參考已處理競(jìng)品零件的結(jié)構(gòu)和尺寸可在系統(tǒng)下載三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入GOM、CATIA等軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、尺寸測(cè)量，并輸出競(jìng)品零件尺寸檢測(cè)報(bào)告（pdf文件）如圖10所示。

3.2.3 質(zhì)量檢測(cè)

在質(zhì)量控制方面，針對(duì)與周邊有緊密配合關(guān)系的借用競(jìng)品零部件，可通過(guò)三維掃描迅速獲取其三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入GOM軟件，應(yīng)用“操作”工具欄中的“預(yù)對(duì)齊”工具可使掃描所得的三維數(shù)據(jù)與數(shù)模以最佳狀態(tài)擬合，再用“檢測(cè)”工具欄中的“CAD上的曲面比較”工具可生成零件與標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)模的對(duì)比色差圖，同時(shí)可標(biāo)注偏差數(shù)據(jù)如圖11所示，對(duì)于偏差較大的位置或可能出現(xiàn)干涉的部位提前預(yù)知，優(yōu)化改進(jìn)。用高精度的三維測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制，為汽車(chē)生產(chǎn)的安全性提供有力保障。

3.2.4 逆向設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中經(jīng)常會(huì)有借鑒市場(chǎng)現(xiàn)有零件的情況，此時(shí)可購(gòu)買(mǎi)市場(chǎng)現(xiàn)有零件進(jìn)行三維掃描而獲取零件表面三維數(shù)據(jù)，再通過(guò)CATIA等設(shè)計(jì)軟件內(nèi)利用DSE、QSR、GSD等模塊逆向設(shè)計(jì)創(chuàng)建零件三維數(shù)模（圖12），用以虛擬裝配驗(yàn)證，避免正向設(shè)計(jì)出現(xiàn)因局部問(wèn)題而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品推倒重來(lái)的弊端，從而大大降低開(kāi)發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期［3］。

4 競(jìng)品車(chē)型運(yùn)動(dòng)零件三維掃描

在新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中采集競(jìng)品車(chē)型運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，可用三維掃描儀對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)、引擎蓋、轉(zhuǎn)向車(chē)輪、座椅等運(yùn)動(dòng)零件在不同狀態(tài)下進(jìn)行三維掃描，可以獲得運(yùn)動(dòng)零件在不同狀態(tài)下的相對(duì)位置關(guān)系，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、尺寸設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)提供精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)。

4.1 運(yùn)動(dòng)零件三維數(shù)據(jù)采集方法

為了還原運(yùn)動(dòng)零件其他姿態(tài)在整車(chē)坐標(biāo)中與原始姿態(tài)的差異，在掃描運(yùn)動(dòng)零件前需導(dǎo)入“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”，調(diào)整分辨率（0.8～1.5 mm）、快門(mén)（3.0～4.5 ms）、掃描模式等參數(shù)，進(jìn)行“掃描表面”，掃描起始位置定在運(yùn)動(dòng)零件以外有“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”的部位，同時(shí)在掃描其他姿態(tài)時(shí)需應(yīng)用“三維編輯”模塊中的“刪除定位標(biāo)點(diǎn)”工具刪除運(yùn)動(dòng)零件上在掃描軟件中顯示的標(biāo)志點(diǎn)，完成三維掃描后“導(dǎo)出表面”保存即可獲得運(yùn)動(dòng)零件其他姿態(tài)的三維數(shù)據(jù)，如果有多個(gè)姿態(tài)按照上面的步驟進(jìn)行多次掃描，最后將多個(gè)姿態(tài)的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOM軟件里進(jìn)行拼接，即可得到運(yùn)動(dòng)零件多個(gè)姿態(tài)的三維數(shù)據(jù)。

4.2 運(yùn)動(dòng)零件三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用

4.2.1 運(yùn)動(dòng)零件尺寸測(cè)量

在整車(chē)競(jìng)品分析工作中得到商品性評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，主觀評(píng)價(jià)分值較高的性能項(xiàng)應(yīng)重點(diǎn)分析影響該項(xiàng)性能的系統(tǒng)參數(shù)，為了達(dá)到或超越競(jìng)品車(chē)輛相關(guān)性能，需采集競(jìng)品車(chē)輛與之相關(guān)的參數(shù)（尺寸、角度、行程等），如圖13所示，通過(guò)測(cè)量競(jìng)品左右車(chē)輪極限轉(zhuǎn)角，換擋手柄行程等參數(shù)為新開(kāi)發(fā)車(chē)型相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)確認(rèn)提供參考。

4.2.2 旋轉(zhuǎn)軸心擬合

在分析競(jìng)品車(chē)型參數(shù)的過(guò)程還可以通過(guò)三維數(shù)據(jù)測(cè)量多擋位運(yùn)動(dòng)零件各個(gè)擋位的數(shù)據(jù)，同時(shí)擬合其旋轉(zhuǎn)軸心，如圖14所示測(cè)量駕駛室車(chē)門(mén)各擋位開(kāi)啟角度及擬合車(chē)門(mén)旋轉(zhuǎn)軸心，為新開(kāi)發(fā)車(chē)型車(chē)門(mén)參數(shù)確認(rèn)提供參考。

5 競(jìng)品系統(tǒng)不同姿態(tài)三維掃描

在整車(chē)競(jìng)品分析中經(jīng)常會(huì)分析某系統(tǒng)在不同姿態(tài)（如空載、滿載）下同一零件的參數(shù)變化，相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式三維掃描可永久記錄一種姿態(tài)下某系統(tǒng)零件的三維數(shù)據(jù)以供反復(fù)測(cè)量，避免因部分尺寸漏測(cè)、誤測(cè)為需要反復(fù)裝、卸載，節(jié)省人力、物力。通過(guò)三維掃描系統(tǒng)不同姿態(tài)，分析不同姿態(tài)下系統(tǒng)參數(shù)變化量以供設(shè)計(jì)參考。

5.1 系統(tǒng)不同姿態(tài)三維數(shù)據(jù)采集方法

對(duì)無(wú)需拼接裝配使不同姿態(tài)三維數(shù)據(jù)在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的系統(tǒng)三維掃描方法可參考“2.1零件數(shù)據(jù)采集方法”，對(duì)需要拼接裝配使不同姿態(tài)三維數(shù)據(jù)在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的系統(tǒng)三維掃描方法可參考“3.1運(yùn)動(dòng)零件三維數(shù)據(jù)采集方法”。

5.2 系統(tǒng)不同姿態(tài)三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在競(jìng)品整車(chē)分析過(guò)程中分別掃描空載姿態(tài)（圖15）和滿載姿態(tài)（圖16）傳動(dòng)軸三維數(shù)據(jù)，將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOM軟件，在“構(gòu)造”模塊中擬合三段傳動(dòng)軸軸心和各段傳動(dòng)軸之間的角度，在“檢測(cè)”模塊中測(cè)量出各段傳動(dòng)軸夾角。對(duì)新開(kāi)發(fā)車(chē)型空滿載姿態(tài)傳動(dòng)軸夾角參數(shù)確認(rèn)提供參考，同時(shí)也可對(duì)解決市場(chǎng)車(chē)輛傳動(dòng)軸振動(dòng)和噪音等問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)整車(chē)姿態(tài)變化也可通過(guò)三維掃描分別記錄空、滿載車(chē)身、車(chē)輪、地面等三維數(shù)據(jù)（圖17、圖18），導(dǎo)入GOM軟件，擬合出地面、前后輪心，由于是在同一“整車(chē)定位標(biāo)點(diǎn)”的采集車(chē)身數(shù)據(jù)，拼接后車(chē)身數(shù)據(jù)自動(dòng)重合，此時(shí)可測(cè)量地面、輪心尺寸差異進(jìn)而分析空滿載姿態(tài)輪胎壓縮量，懸架系統(tǒng)、離地間隙變化量等參數(shù)（圖19）。

6 結(jié)語(yǔ)

以上介紹了三維掃描設(shè)備在競(jìng)品分析工作中整車(chē)、零件、運(yùn)動(dòng)零件、系統(tǒng)不同姿態(tài)下的三維數(shù)據(jù)采集方法的研究及在各種狀態(tài)下數(shù)據(jù)的應(yīng)用，包括各類(lèi)尺寸測(cè)量、整車(chē)總分析、人機(jī)工程、視野分析、逆向設(shè)計(jì)等，當(dāng)然三維掃描的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止此，三維掃描儀還可以做好現(xiàn)有的配件設(shè)計(jì)，這種掃描方式可以在短時(shí)間內(nèi)快速掃描大型車(chē)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜或曲面多的配件，從而做出精度更高的產(chǎn)品。隨著三維掃描設(shè)備的進(jìn)步，三維掃描數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用將會(huì)在汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)品分析工作中更加廣泛和深入。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽(yáng)萌.Q/DFAC Y040—2020 三維掃描儀使用規(guī)范[S].

[2]孫安然.Q/DFAC C1291—2020 整車(chē)掃描技術(shù)規(guī)范[S].

[3]喻彩麗.基于逆向工程的三維測(cè)量技術(shù)的研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2010（7）：38-39.

作者簡(jiǎn)介：

楊磊，男，工程師，1985年出生，研究方向?yàn)檎?chē)及零件競(jìng)品分析。