激光扫描仪在测量车身间隙面差中的应用

高钰

激光扫描仪在测量车身间隙面差中的应用

高钰

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

车身间隙影响车辆的密封性，进而影响车身振动噪声及防风雨性能。传统人工检测耗时长，无法满足在线测量的需求，因此现在整车制造厂正在采用激光扫描仪来测量车身的间隙面差以代替人工测量，文章介绍了激光扫描仪的测量原理以及间隙面差的计算方法，并在实际案例中对测量结果进行了分析。

激光测量；间隙面差；白车身；尺寸测量

1 前言

汽车的车身主要由车身覆盖件和结构部件组成，车身覆盖件主要通过冲压的方式形成。由于在对覆盖件进行冲压时存在误差，因此在汽车组装的过程中面板之间的间隙和面差值往往不符合设计要求，车身的间隙影响着车辆的密封性，进而影响车身振动噪声及防风雨性能[1]，同时面差对车身轮廓曲线有重大的影响，尽可能小的面差会使车身外形轮廓曲线更加光顺。因此，检测车身的间隙面差具有重要的意义。传统的车身间隙检查方法主要包括机械接触测量和三坐标测量机测量[2]。机械接触式测量精度低且采样率低，三坐标测量机测量既繁琐又费时。此外，机械测量方法要与车身接触，易对汽车的表面造成损伤。同时，这些方法并不能满足在线检查的要求。

随着基于计算机视觉的测量技术迅速发展，激光扫描仪凭借非接触、测量精度高、速度快等优点正被广泛地应用于车身间隙面差的在线测量中，本文将会介绍激光扫描仪测量间隙面差的原理以及相关的应用。

2 激光扫描仪的测量原理

测量间隙面差的激光扫描仪包括手持式设备和在线式设备，目前正被越来越多地运用于汽车制造过程中。这些设备由摄像机和激光发生器组成，激光发生器产生的激光通常是线激光。如图1所示，对于手持式测量设备，通过将设备手动移动到被测物体上方，并在规定的测量距离和角度内进行测量。对于在线测量（如图2所示），将激光扫描仪固定到机器人的六轴上，在线测量系统可以提供高精度的测量结果，测量精度为±100μm。

图1 手持式激光扫描仪

图2 在线式激光扫描仪

线激光扫描仪通过激光发生器发射一条线激光到待测物体表面，摄像头根据固定的角度测量该线激光在物体表面的反射，之后通过三角测量法原理确定待测物体的表面信息[3]。传统的激光扫描仪使用单个红色激光条和单个成像器来捕获扫描表面，但是单个视图无法看到间隙边缘附近的表面点。如今交叉矢量传感器利用多个激光和多个交叉角度来获得视图，这使得激光扫描仪可以扫描到圆弧半径的边缘到垂直切线以及超出的部分（如图3所示）。因此可以获得更加完整的表面轮廓和更精确的间隙测量结果。同时，相较于传统红色激光，使用蓝光的激光扫描仪可以对前灯、尾灯、玻璃等透明件进行测量。

图3 交叉矢量扫描技术

3 间隙面差的计算方法

现有激光扫描仪通过三角测量法从零件中提取表面几何形状（如图4所示），使用激光二极管作为结构光源，CCD成像仪作为接收器来捕获激光并将其转换为电子信号。然后，控制器处理该信号并将其转换为工程坐标，该坐标可用于生成零件的测量值。如何提取线激光中心线以及识别出中心线上的特征点是计算间隙面差关键。

提取线激光中心线方法主要有阈值法[4]、几何中心线法[5]、极值法以及曲线拟合法，这些方法提取出来的激光光条中心线较为精确，并且满足稳健性和实时性的要求。中心线上的特征点通常选取直线与曲线的交点，所使用的提取算法有拐点提取法[6]、曲率差分法等。如图5所示为一段激光条纹，首先通过最小二乘法得出一侧的基准面拟合直线，再用拐点提取法得到特征点A并计算其到拟合直线的距离，这个距离就称为面差，该段激光条纹两侧曲线末端的特征点B和特征点C之间的距离即为间隙。

图4 三角测量法原理

图5 间隙面差的计算方法

4 案例分析

本文以某款手持式激光扫描仪对车门与翼子板、前车灯以及发动机罩与翼子板配合出的间隙面差进行了测量，其中车门与翼子板配合处有3个测量点位，前车灯配合处有2个测量点位，发动机罩与翼子板配合处有2个测量点位，每个测量点位测量5次。以塞尺测量到的值作为间隙的理论值，以面差尺测量到的值作为面差的理论值，详细数据如表1和表2所示。

表1 各特征间隙测量值

表2 各特征面差测量值

从表1和表2可以计算得出该款手持式激光扫描仪测量的间隙值与理论值的平均差值为0.041mm，间隙值的极差均值为0.104mm，标准差均值为0.038mm，面差值与理论值的平均差值为0.091mm，面差值的极差均值为0.026mm，标准差均值为0.009mm，可以看出激光扫描仪在测量间隙面差时不仅测量的值准确而且稳定性良好，同时因为能够实时得出测量结果，因而可以被广泛地运用于在线测量中。

5 结论

本文介绍了激光扫描仪在测量间隙面差时的工作原理以及间隙面差的计算方法，之后在实际案例中使用激光扫描仪对车身上的间隙面差进行了测量，从测量结果可以看出激光扫描仪能够满足测量实际需求，并且将来也会被越来越多地运用于在线测量中。

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[2] 李麟.在线激光测量系统在白车身制造中的应用[D].上海:上海交通大学,2015.

[3] 李绒.面结构光三维系统相位测量精度研究[D].成都:电子科技大学,2017.

[4] 甘文龙,罗会信,刘海生等.基于机器视觉的管道焊接跟踪技术研究[J].机床与液压,2019,47(4):103-107.

[5] 许敏,马钺,陈帅等.基于结构光视觉的白车身覆盖件间隙面差测量方法[J].传感器与微系统,2017,36(9):13-16.

[6] 冯国卫,张一丁,孔飞等.基于激光测量的汽车零件间隙面差计算方法[J].激光与红外,2014,44(4):370-373.

The Application of Laser Scanner in Measuring Gap and Flush

Gao Yu

（SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201206）

The body gaps affects the sealing of the vehicle, which in turn affects the body's vibration, noise and rainproof. Traditional manual inspection takes a long time and cannot meet the needs of online measurement. Therefore, vehicle manufacturers are now using laser scanners to measure the gap and flush of the car body instead of manual measurement. This article introduces the measurement principle of the laser scanner and the calculation method of the gap and flush, and analyzes the measurement results in actual cases.

Laser measurement; Gap and flush; White body; Size measurement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.033

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高钰，就职于上汽通用汽车有限公司。