基于三维光学扫描的发动机气管质量检测方法

罗亚东　李桂涛　邱汝锋

摘 要：发动机气管产品设计初期，须制造产品样机验证设计方案。在无检具的情况下，常规检测设备无法实现产品检测。利用三维光学扫描设备结合检测软件，采集产品点云数据、点云杂点噪点数据处理、产品模型与点云数据基准对齐、尺寸分析可实现产品制造质量检测。通过具体样件检测验证分析，找出了同批次产品装配干涉问题点，为产品后续改进提供了数据参考，验证了此方法的可行性。

关键词：三维光学扫描 发动机气管 点云数据 点云处理 基准对齐 数据分析

1 引言

汽车发动机部件产品设计完成后，需要制作产品样机进行装机验证。产品样件属于非定型验证性样品，基于成本等因素，供应商往往不开成品模及制造检具。这就给样件制造质量检测带来了困难。汽车各零部件设计时，产品需要装配到整车坐标系下，发动机气管样件设计时考虑导流及周边零件避让等因素，存在弯曲弧度，管路弯曲弧度交汇点在整车坐标系下的位置为关键控制尺寸，常规检测手段无法实现检测。由于样件属于孤立件，无工装定位加持，利用三坐标测量机检测同样无法实现。

本文运用结构光扫描设备对发动机气管进行数据采集，将采集到的零件点云数据进行拼接、去噪处理后，根据零件要求，快速对齐到设计基准，进行特征、曲面點、构造点等关键尺寸检测。

2 基础理论及应用

2.1 结构光栅投影数据采集

结构光栅投影技术基本原理为，将光栅投影到被测物体表面，被测物体表面上各个存在高度差会导致直纹光栅发生变形，发生变形的光栅携带了被测物体表面的三维空间信息，通过对变形光栅进行解调，可得到被测物体表面上各点的高度信息，原理如图1所示。

入射光线E投射到参考面A点，放入被测零件后，入射光线投射到被测零件上D点，此时A点从图示方向观察就移动到新位置B点，距离AB包含了高度信息z=h（x，y），即高度收到了表面形状的调制。将变形光栅解调影线，即可得到被测物体表面位置信息。

本文采用ATOS III进行发动机气管数据采集。需要检测的发动机气管有同一供应商一批次5根气管图示2，此批次气管零件在发动机具体装配时存在匹配不到位问题，需要查找具体问题来源。采集过程见图示3。

2.2 点云数据处理

数据采集过程中，由于测量设备的标定参数、测量环境及人为操作设备等因素会带来数据误差，产生失真点数据，通常将此类误差点称为“坏点”或“跳点”。通过扫描数据采集到的原始点云数据，需要对其进行三角网格化显示处理图4，运用此方法对失真点进行筛选及剔除的应用。

2.3 点云数据与设计CAD数据对比分析

三维扫描数据是在设备坐标系下采集得到的，零部件进行检测分析前，需要将扫描数据与零件设计基准对齐，通过逆向处理软件Geomagic Design X来实现基准对齐，在GeomagicDesign X中，首先提取气管CAD模型中设计基准：基准平面A、基准轴线B及基准平面C，确定数模理论坐标系。下一步，提取基准平面A、基准轴线B、基准平面C区域对应的点云数据，根据提取的区域点云，分别拟合基准平面、基准轴线、基准平面，确定点云坐标系（图示5）。

将点云数据中提取拟合的基准平面、基准轴线、基准平面分别与CAD模型中基准平面A、基准轴线B及基准平面C一一关联，即确定点云坐标系与数模坐标系的相对关系（图示6）。最后软件通过自带算法平移旋转点云，使点云坐标系与数模坐标系一致。

2.4 零件制造质量检测验证

零件扫描数据对齐后，即可按图纸要求进行零部件尺寸检测。利用三维结构光扫描可实现零件整体偏差趋势检测及尺寸检测。零件整体偏差趋势可借助于彩虹图的形式给出，将零件给定的上下公差进行均等分段，每分段赋予不同颜色显示，如图示7发动机气管零件1整体偏差分析。将上下公差±0.2mm均分5段，每段赋予不同颜色，则气管零件偏差变化趋势即可直观显示。

曲面是构成产品表面几何特征的重要组成部分，根据点云数据拟合特征进行对比发现，对于常规的平面、球面一般采用线性最小二乘法拟合，而对于圆柱及圆锥则一般采用非线性最小二乘拟合。

其中，O=（，，）为圆柱面轴线上的一点，a=（m，n，l）为圆柱面轴线方向的单位矢量，R为圆柱面的半径。

对于圆柱面的拟合，采用非线性的方法，需要对圆柱面进行重新参数设置，其中，为圆柱面上距原点o距离最小的点;为圆柱的轴线方向;为点处的最大曲率值;为圆柱面的半径。利用近似距离函数=来表示任一数据点到圆柱面的距离。

圆柱面的求解过程采用Levenberg-Marquardt迭代法。迭代初值通过计算数据点的局部曲率特性来确定。选取带拟合区域的任意一点，计算该点的主曲率，及主方向，，设最大曲率为参数的初值，设为n（参数和）的初值，最小曲率方向作为，可以确定的初值，参数的初值设为0。

运用上述方法，提取本例中发动机气管圆柱区域点云1、圆柱区域点云2、圆柱区域点云3（图示8）分别进行拟合圆柱1、圆柱2、圆柱3，求得圆柱1与圆柱2轴线交点C及圆柱2与圆柱3交点D（图9），通过计算对比证实各位置偏差符合图纸设计要求。

3 结论

发动机气管设计初期定型的样件，在无检具及常规检测方法情况下，运用三维结构光扫描设备进行产品制造质量监控。从基本原理及运用方法、实施流程等过程为样件在制造过程中对点云数据采集、原始数据失真筛选及剔除、点云数据与CAD模型对齐、特征拟合及关键尺寸分析提供了真实数据支撑，为分析样件关键尺寸偏差、样件成型及模具修正给出了有力数据依据，从实际运用中表明此方法有效可行。

参考文献：

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