（机械制造及其自动化专业论文）汽车冲压件在线检测设备设计及特性研究.pdf

摘要 i i i iiiii ii i i iii iii iiil y 17 4 618 7 摘要 在传统的汽车冲压件检测中，由于其存在检测数据误差大，效率低，无质量 跟踪，不能够数字化集成等缺点，在现代工业生产中很难满足工厂大批量、高 速高效检测的实际需要。本论文在充分了解传统三坐标测量机( c m m ) 的工作 原理与空间结构的基础上提出了一种新型的汽车冲压件在线检测设备( o n 1 i n e d e t e c t i o ne q u i p m e n tf o ra u t o m o b i l ep u n c h i n gp a r t s ，简称a p o d e ) 虚拟样机的相 关设计及其特性的研究成果，为汽车冲压件在线检测设备的设计及数字化集成 奠定了基础，具有重要的工程意义。 论文主要包含以下内容： 1 ) a p o d e 工作原理。在充分了解设备检测原理的基础上，基于逆向工程 3 d 点云对齐技术，论述了检测设备的组成、功能及技术参数。 2 ) a p o d e 主机结构设计。根据检测设备所使用的车间现场环境，借助于 当前已具有成熟技术的三坐标测量机的工作原理及其空间结构的分析，归纳出 了设备总体结构方案，并对检测设备的关键部件进行了详细设计，借助于u g 平 台，构建了样机的3 d 数字模型，并进行了装配干涉和检查。 3 ) a p o d e 仿真分析。为了提高样机的抗振特性，将精密仪器上常用的两 种导轨副：空气静压副和滚动副导轨进行了抗震特性分析。然后为了减小测量 机构的动态误差，将模型参数化并进行了动力学仿真，进一步优化了设备的动 态特性。 4 ) a p o d e 静态和动态误差分析与修正。首先论述了a p o d e 的静态误差源。 其次分析了检测设备各个运动部件在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到 摄像机的位置动态误差，初步建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误 差表达式；最后分析了减少a p o d e 动态误差的方法。 5 ) a p o d e 数控系统的设计。首先论述了数控系统的总体结构设计，关键 部件的选择；然后利用m a t l a b 软件进行了数控运动仿真，分析电机在外载变 化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电护的启动性能达到最优。 关键词：光学扫描检测设备；结构设计；仿真分析；汽车冲压件；逆向工程 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a la u t o m o b i l es t a m p i n gp a r t sd e t e c t i o nm e a n sa r en o tr e l i a b l e , l o w e r d i e t e c t i o ne f f i c i e n c y n oq u a l i t yt r a c k i n ga n dp o o rd i g i t a li n t e g r a t i o na n di ti s d i f f i c u l tt om e e tt h em o d e r nf a c t o r y - v o l u m e h i g h s p e e da n de 伍c i e n td e t e c t i o ni nt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s b a s i n go nt h ef u l l yu n d e r s t a n d i n go ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e a n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e w e i n t r o d u c e dt h eo n l i n ed e t e c t i o ne q u i p m e n tf o ra u t o m o b i l ep u n c h i n gp a r t s ( a p o d e ) ，a n e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e sa n dr e s e a r c hf i n d i n g so fw h i c hw a sp r o p o s e d i tl a i dt h e f o u n d a t i o nt os o l v ep r o b l e mo ft h eo n l i n ed e t e c t i o nf o ra u t o m o t i v es t a m p i n gp a r t s a n dd i g i t a li n t e g r a t i o n , w h i c hh a si m p o r t a n te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea p o d e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t i o n p r i n c i p l ea n d3 dp o i n tc l o u da l i g n m e n tt e c h n o l o g y , e q u i p m e n t a ls t r u c t u r e ，p a r a m e t e r s ， f u n c t i o n sa r ed e s c r i b e d 2 ) t h eh o s ts t r u c t u r a ld e s i g no ft h ea p o d e s t a r t i n gf r o mt h eu s eo ft h e e n v i r o n m e n ta n dt h ea n a l y s i so ft h ec m m ，i ti se a s i l yt og e tt h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h ee q u i p m e n t t h e nt h ek e ye q u i p m e n t sc o m p o n e n t sa r ed e s i g n e da n dt h ed i 百t a l m o d e li sb u i l ti nt h eu ge n v i r o n m e n ta n da s s e m b l ea n di n t e r f e r e n c ei sc o n d u c t e d 3 ) a p o d es i m u l a t i o na n a l y s i s i no r d e rt oi m p r o v et h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em a c h i n e ，t w og u i d e sa r ep r o m p t e d ：a e r o s t a t i cg u i d e w a ya n dl mr o l l i n g g u i d e w a y t h ec o m p a r i s o no ft h es e i s m i cc h a r a c t e r i s t i c si sd o n e t h e nt or e d u c et h e d y n a m i ce r r o r , t h em o d e li sp a r a m e t e r e da n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni sd o n e ，w h i c h f u r t h e ro p t i m i z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n t 4 ) a p o d es t a t i ca n dd y n a m i ce r r o ra n a l y s i sa n dc o r r e c t i o n f i r s t l ya p o d e s t a t i ce r r o rs o u r c e sa r ed i s c u s s e d ；s e c o n d ，c a m e r a sd y n a m i cp o s i t i o ne r r o r , a f f e c t e d b yt h e t h e d r i v i n g f o r c ea n dt h ei n e r t i a lf o r c ei nt h et h r e ed i r e c t i o n s i s a n a l y z e d h a i t i a l l yas i n g l e - a x i sg r r o rm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h eu n i a x i a le r r o r e x p r e s s i o ni sg i v e n i nt h ee n d t h em e t h o dt or e d u c ea p o d ed y n a m i ce r r o ri s d i s c u s s e d 5 ) a p o d ec n cs y s t e md e s i g n f i r s t l y , t h em a i ns t r u c t u r eo ft h ec n cs y s t e mi s p r o p o s e da n dt h ek e yd e v i c e sa r ec h o s e n c n cs i m u l a t i o n w h i c hi sa n a l y s i so f m o t o rs t a r t u pp e r f o r m a n c eu n d e re x t e r n a ll o a da n dt h e nt oc h a n g et h ec o n t r o l s t r a t e g yt oo p t i m i z et h em o t o rs t a r t u pp e r f o r m a n c e ，i sd o n eb a s e do nt h ea d a m s k e yw o r d s ：o p t i c a ls c a n n i n gd e t e c t i o ne q u i p m e n t ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；s i m u l a t i o n a n a l y s i s ；a u t o m o b i l ep a r t s ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g 目录 目录 学位论文独创性声明i 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 工程背景1 1 1 2 研究达到的目标2 1 1 3 课题来源鬈2 1 1 4 课题意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 主要研究内容3 1 3 1a p o d e 主机结构设计3 1 3 2a p o d e 基于a d a m s 的设备仿真分析，3 1 3 3a p o d e 静态和动态误差分析与修正4 1 3 4a p o d e 数控系统设计4 1 4 课题研究的技术路线4 1 5 设计平台介绍4 本章小结5 第2 章a p o d e 设备工作原理6 2 1 汽车冲压件在线检测6 2 1 1 汽车冲压件简介6 2 1 2 汽车冲压件检测内容7 2 2a p o d e 检测原理和方法描述7 2 3a p o d e 功能及技术参数1 0 2 4a p o d e 设备的组成1 0 l 目录 2 4 1 主机1 0 2 4 2 光学测量系统1 l 2 4 3c n c 系统1l 2 4 4 辅助系统1 2 本章小结1 2 第3 章a p o d e 设备主机设计1 3 3 1 使用环境1 3 3 2 主机材料的选择1 3 3 3 主机结构方案设计1 4 3 3 1 常用结构形式1 4 3 3 2 主机结构方案1 5 3 4 主机关键部件设计1 6 3 4 1 测量主机底座隔振设计1 6 3 4 2 基础设计1 7 3 4 3 滑架设计1 9 3 4 4 导轨设计1 9 3 4 5 传动机构设计2 0 3 5a p o d e 的虚拟装配2 3 3 6 装配体的干涉检查2 4 本章小结2 4 第4 章基于a d a m s 的仿真分析2 5 4 1a p o d e 模型导入2 5 4 1 1a d a m s 软件简介2 5 4 1 2u g 模型转换为a d a m s 模型2 6 4 2a p o d e 振动分析2 7 4 2 1 建立振动模型2 7 4 2 2 振动模型与放大系数2 7 4 2 3 空气静压导轨副结构与参数估算2 8 4 2 4 估算导轨副动力放大系数2 9 1 v 目录 4 2 5 模态分析3 0 4 2 6 垂直振动特性分析3 l 4 2 7 滚动导轨副模态分析3 3 4 2 8 振动模拟的结果分析3 4 4 3a p o d e 结构分析3 5 4 3 1 简化样机模型3 5 4 3 2 机构运动仿真3 7 4 3 3 参数化样机模型3 8 4 3 4 优化设计的数学模型4 0 4 3 5 机构优化计算分析4 l 本章小结4 3 第5 章a p o d e 的误差分析4 4 5 1a p o d e 的主要误差源分析4 4 5 2a p o d e 静态误差分析与修正4 4 5 2 1a p o d e 静态误差源4 5 5 2 2a p o d e 静态误差分析4 5 5 2 3a p o d e 静态误差补偿办法4 7 5 3a p o d e 动态误差分析与修正4 8 5 3 1a p o d e 动态误差分析4 8 5 3 2a p o d e 动态误差建模4 9 5 3 3 减少a p o d e 动态误差的方法5 2 本章小结5 3 第6 章控制系统设计5 4 6 1 运动控制系统的分类5 4 6 2 控制系统功能5 5 6 3 总体结构5 5 6 4 部件选择5 5 6 4 1 直流伺服电机5 6 6 4 2 伺服放大器5 7 v 目录 6 4 3p m a c 运动控制器5 8 6 5 运动控制系统建模及仿真5 9 6 5 1 直流伺服电机建模5 9 6 6 运动控制系统仿真6 l 6 6 1 电机空载的单位阶跃响应6 l 6 6 2 电机负载的阶跃响应6 l 6 7 本章小结6 3 第7 章结论和展望6 4 7 1 工作总结6 4 7 2 工作展望6 5 致谢6 6 参考文献6 7 攻读学位期间的研究成果? 7 l v l 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 工程背景 第1 章绪论 汽车冲压件检测技术是通过对获取的冲压件表面的尺寸误差或形为误差数 据的分析来判断预定的性能和技术指标是否满足要求。为改进冲压工艺提供理 论参考，以达到确保汽车冲压件稳定高效生产的目的。然而在汽车冲压件实际 检测过程中，其主要是依靠游标卡尺，千分尺，样板或者样件等心1 专用检具来进 行检测的。通常情况下，尤其是稍微复杂的汽车冲压件首样检测常常需要一位 具有丰富检测经验的专业人员用好几个小时有时候甚至一两天的时间彳4 能彻底” 完成，并且这种检测结果也并非完全可靠。总的来讲，传统的冲压件检测手段 存在如下问题： 1 ) 检测效率低，检测结果不可靠 传统的冲压件检测，需要花费很长的时间，对检测人员本身的依赖性较强。 一般情况下都是将冲压件与样件整体对齐，孔位对齐等标志点对齐以后，直接 通过目测观察被检件与样件之间有没有错边现象，因而检测比较粗糙，时间长， 而且检测结果受人经验的影响大，通用性差，检测结果不可靠旧1 2 ) 质量跟踪困难 传统的检测比较粗糙，检测报告结论中只分为合格与不合格两项，增加了 对加工质量进行后续跟踪的困难，无法为冲压设备的工艺改进提供数据支持。 3 ) 产品数字化集成困难 传统的冲压件质量检测，由于很大程度上依赖于人的经验，无法建立冲压 件检测质量问题数据库，从而为技术的交流增加了困难，但是随着汽车冲压件 质量检测与监测技术的发展，产品数字化集成问题将有望得到解决。 基于以上因素，为解决传统的汽车冲压件检测存在的问题，本研究课题提 出了一种新的汽车冲压件在线检测设备( 简称a p o d e ) ，该设备是基于逆向工程 3 d 点云对齐技术和结构光投影技术1 ，将光学扫描原理应用于冲压件在线检测 的设备。首先，利用光学测量头高效准确地扫描获取冲压件表面的点云数据， 其次通过专用的点云数据处理软件进行点云数据处理和拼合，然后将数据拼合 后的图形与c a d 数字样件模型进行3 d 对齐比较，最后以彩色误差图或者报表的 形式显示被检测件的表面质量。该汽车冲压件在线检测设备完全能够满足大多 数造型比较复杂的冲压件的在线检测要求，对于实现冲压件在线检测的自动化 与智能化具有重要的现实意义旧。 第1 章绪论 1 1 2 研究达到的目标 依托u gn x 设计平台，结合a d a m s 仿真工具，实现a p o d e 整机结构设计、 导轨振动分析和机构动力学分析、静态与动念误差分析及其修i f 、控制系统设 计与仿真。 1 1 3 课题来源 江西省研究生创新基金 1 1 4 课题意义 本论文提出的a p o d e 在汽车冲压件的在线检测中具有重要的现实意义： 1 ) 提高在线检测的可靠性和物理样机制造的成功率 汽车冲压件在线检测设备通过光学扫描和自动拼合的点云技术能够重现被 检测件的外形尺寸。利用3 d 对齐技术， 将被检测件模型与理想样件( c a d 模型) 进行对齐比较后，可以由彩色误差图较 为直观地显示二者之间的差异( 图1 1 ) 。 因而检测是高效的，准确的。同时，利 用虚拟现实支持下的虚拟设计哺1 以及工 业生产检测系统仿真的可视化、可交互 性的特点，可以实现设计人员与多维信 息环境的交互，从而进一步减少物理模 型和样件的开发周期，节约加工成本。 2 ) 提高检测精度和检测效率 图1 1 点云与零 i ，l ：模型的彩色误差图 a p o d e 搭载了光学扫描系统，并采用了当前3 d 检测当中较好的结构光法， 并使用了冷光源，该机构融合了精密机械、计算机及光学测量技术，可以实现 对冲压件空间轮廓、形状及位置误差的自动检测，人为因素影响比较小；光学 扫描系统单次拍摄时间o 0 5 秒h 1 ，检测效率高。 3 ) 为企业数字化集成奠定了理论基础 高效的在线检测设备以及精确的零件点云扫描图，为企业产品加工质量数 据库的建立提供了很好的条件，对于后续产品加工质量的监测、设备故障诊断、 维护以及产品改进提供理论依据。 2 曩疆鬻叠l蠢麓誓零一搿，冱通砖 t 鼠曩蠹 t 口曩毒 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 构成汽车的零件中，冲压件占了相当大的比例。汽车冲压件主要包括汽车 车身外覆盖件，驾驶室，覆盖发动机和底盘的异形体表面及其内部的零件。汽 车冲压件一般是封闭薄壳状的受力零件，其质量对整车质量影响较大。在国内， 传统的汽车冲压件检验主要采用样板和组合量规。该类专用检具制作周期长、 成本高以及检测的柔性及检测效率都比较的低，很难在较短的时间内获取大量 的实测数据m 1 。 目前，基于光学扫描的检测技术已相当成熟，并且设备也多种多样。为了 提高a p o d e 的可靠性，以及设备的开发效率，该汽车冲压件在线检测设备的光 学系统部分也将采用商业化的部件，虽然曲面重构和光学测量理论研究都已经 相当成熟。但是文献表明，目前国内外基于光学扫描的汽车冲压件在线检测设 备还没有同种类型的研究成果。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 是上世纪8 0 年逐渐兴起的一种 基于计算机技术的一个新的概念。在建模和仿真领域，比较通用的关于虚拟样 机的概念是美国国防部建模和仿真办公室( d m s o ) 的定义。d m s o 将虚拟样机定 义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算 机的仿真；而虚拟样机技术则是利用计算机平台，将虚拟样机代替实际的物理 样机，对候选方案的某一方面特性进行仿真测试和评估的过程。其主要由三个 部分一1 组成：建模技术、模拟与仿真技术以及测试和分析技术。 ， 1 3 主要研究内容 1 3 1a p o d e 主机结构设计 a f o d e 主要由测量主机、控制系统、光学测量系统和辅助装置( 防尘、防潮 及隔振) 等组成。主机的结构设计是整个样机设计的关键。通过对常用三坐标 测量机c 删的结构和功能的分析，归纳出了设备的总体设计结构方案，根据振 动标准设置了隔振底座。对设备各关键部件进行了详细设计，在u g 中建立了样 机的三维数字模型，进行了装配干涉和检查。 1 3 2a p o d e 基于a d a m s 的设备仿真分析 为了提高样机的抗振特性，考虑到样机导轨对整机误差的影响，首先将预 定方案的两种导轨：空气静压导轨副和滚动导轨副进行了振动特性分析，比较 了二者在一定条件下的抗振特性“。j 。然后为了减小检测机构的动态特性，将模 型参数化并进行了动力学仿真，进一步优化了样机结构。 第1 章绪论 1 3 3a p o d e 静态和动态误差分析与修正 主要包括两方面的内容：一方面首先分析了a p o d e 的静态误差源，包括几 何误差、温度误差以及结构力变形误差等。然后分析了其静念误差补偿办法， 分别讨论了对阿贝误差和几何误差的补偿原则以及对系统误差的修萨方法。另 一方面分析了a p o d e 基于机构方面的动态误差，主要是检测设备各个运动部件 在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到摄像机中心的位罱动态误差。初步 建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误差表达式，最后分析了减少 a p o d e 动态误差的方法，包括合理的结构设计，利用误差补偿技术等。 1 3 4a p o d e 数控系统设计 首先论述了数控系统的总体结构方案设计，接着对主要关键部件进行了选 型计算；然后利用m a t l a b 软件进行了数控运动仿真j ，分析了电机在外载变 化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电机的启动性能达到最优。 1 4 课题研究的技术路线 1 ) a p o d e 主机设计技术路线 从a p o d e 工作的车间现场环境( 振动、温度、湿度等) 入手，分析了检测 设备需要具备的功能和特性。车间温度、隔振、防潮是要解决的关键问题；为 使检测设备具有较高的检测精度和效率，采用了光学扫描检测原理。 2 ) a p o d e 设备仿真分析技术路线 基于a d a m s 仿真平台，将在u g 平台上建立的3 d 数字模型导入仿真软件中， 通过建立约束、定义运动、添加材料属性等，从位移和加速度等方面进行仿真， 分析和优化设备机构；基于m a t l a b 软件进行了数控运动仿真，分析电机在外载 变化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电机的启动性能达到最优。 1 5 设计平台介绍 1 ) u g 软件 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是美国e d s 公司推出的集c a d c a m c a e 于一体的 三维参数化设计软件。是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件， 使产品丌发从设计到加工真讵实现了数据的无缝集成，由于用户的全部产品以 及精确的数据樽型能够在产品丌发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实 现了并行工程：雌。 u g 不仅具有强大的实体、曲面造型、虚拟装配和产生2 d 工程图等设计功 4 第1 章绪论 能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析等提高设计的可靠性； 直接生成数控代码，用于产品的加工；提供二次丌发语言u g o p e ng r i p ，便于 用户开发专用的c a d 系统。 2 ) a d a m s 软件介绍 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s iso f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 推出的非常著名的机械系统动力学分析软件， 也是世界上应用最广泛的仿真分析软件u 3 。 a d a m s 允许用户可以非常方便地对虚拟样机中的机械系统进行静力学、运 动学和动力学仿真，它能够帮助设计人员在更好地理解系统运动的基础上，进 一步解释其子系统的设计特性。它还可以用来对比众多设计方案之i 日j 的工作性 能，跟踪机构连接副的载荷大小的变化过程以及计算其机构运动路径等儿；同 时它又具有开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊用户的二次丌发工具。 使用a d a m s 建模时即快速又简洁，并且所建立的模型十分逼真，允许用户通过 调整机构参数来进一步优化机构设计，进一步提高设计效率。 本章小结 基于汽车冲压件在线检测设备的研究现状，论述了课题研究的背景，国内 外相关技术的研究现状；并进一步介绍了课题研究的主要内容及技术路线；最 后对设计平台进行了简介。 第2 章a p o d e 设备+ 1 ：作原理 第2 章a p o d e 设备工作原理 2 1 汽车冲压件在线检测 2 1 1 汽车冲压件简介 汽车冲压件是汽车的重要部件，在汽车零部件的组成中，大约超过7 0 都 是冲压件。冲压件主要是指构成汽车车身、顶盖和底盘的异形体表面零件。汽 车冲压件一般是封闭薄壳状的受力零件。由于即使是冲压件表面上非常微小的 冲压缺陷也会在涂漆后引起光线漫反射，从而破坏汽车表面的光洁度，影响汽 车外形的美观，因此冲压件表面的皱折、边缘拉痕等缺陷是应尽量避免的n 朝。 欧洲、美国、同本等发达国家生产的a 级 表面精度的汽车冲压件种类繁多，其主要有左、 右车侧围，行礼箱盖板，发动机前支撑板，前 围上盖板，后围板，车轮挡泥板、后翼子板、 后围板、后围上盖板、引擎盖板，车顶盖，前、 后车门，前、后、左、右翼子板，顶盖、前围 板、前围上盖板、前挡泥板、发动机罩等类型n 引。 冲压件可分为内、外部冲压件和骨架类冲 压件三类( 图2 1 ) 。通常情况下，汽车内部冲 压件的空间结构较为复杂，而外部和骨架类冲 压件对外观质量要求较为特殊。与一般冲压件 1 顶盖2 后同板3 底板4 挡泥板 图2 1 汽乍冲压件组成i 鳘l 相比，汽车冲压件具有其自身的特点，如通常情况下形状较为复杂、薄壁料、 表面质量要求较高等。其使用要求如下： 1 ) 曲面形状 汽车冲压件的形状大多在空间上为三维立体曲面，因此要想在冲压件图纸 上完整准确的表达其空间结构是很困难的。在通常情况下，主模型就是用来解 决这个问题的，主模型n 钉是汽车冲压件最重要的制造依据和尺寸描绘工具，冲 压件图纸上标注的各种各样的尺寸形状，包括各种孔的位置尺寸、立体曲面形 状、形状过渡尺寸等，都应该和主模型保持一致，工程图上无法标注的尺寸也 是主要依靠主模型柬度量。 2 ) 表面质量 汽车冲压件的表面质量主要是指冲压件表面不允许存在皱折、擦伤、边缘 拉痕及其他影响冲压件表面光洁度的缺陷。事实上，由于汽车冲压件表面的缺 陷均会在涂漆后由于引起光线的漫反射而有碍汽车外形的视觉效果。另一方 6 第2 章a p o d e 设备i ：作原理 面，汽车冲压件上的筋条和装饰棱线也必须清晰、平滑和左右对称，棱线应该 衔接流畅，避免参差不齐。总而言之，冲压件既要满足其功能要求，又要满足 其装饰要求。 2 1 2 汽车冲压件检测内容 通常情况下，机械产品及其零部件的检测，大多涉及到零部件的结构、性 能以及尺寸参数等。汽车冲压件质量检测的主要内容包括尺寸精度以及表面质 量等“引。如下表2 1 所示。 表2 1 汽乍冲压件主要检测内容 检测项目检测方法 油彳i 打磨手触摸米检奄冲压f ，l = 毛刺、凹点、划伤等缺 ；f j 表面质量 无影灯目测检查冲压件鼓包、擦伤、起皱等缺陷 片 游标譬尺、千分尺、样板检具等，检轰冲压 i ，l ：的边缘平 尺寸精度 整度、型面轮廓尺寸、缝隙尺寸及功能尺寸( 配合尺寸、形 状及位置尺寸7 基于汽车冲压件的不同功用特征，通常会采用各种不同的表面质量检测方 法，对外冲压件通常是先用纱布擦干净表面，随后在无影灯下目测是否有擦伤、 鼓包、起皱等表面缺陷，对于用目测也难以查找的毛刺、凹点、划伤等缺陷j 可以用手触摸或用油石打磨的方法分辨出来。 尺寸检查主要涉及到对汽车冲压件边缘平整度、缝隙尺寸及功能尺寸等的 检测，通常所用的工具主要包括游标卡尺、千分尺、样板检具等。在此忽略冲 压件的选材，主要分析冲压件的尺寸和型面的制造精度即产品的形位误差，其 是影响机构装配质量和性能的主要因素。 2 2a p o d e 检测原理和方法描述 使用a p o d e 完成对一个样件的检测，需要有一个完善的质量( 形位公差) 检测工艺。由于检测设备本身具有较高的软硬件集成和自动化程度，操作人员 只需装央工件，然后在检测工件上做标记，在控制界面上选择零件型号，启动 扫描程序便可完成。总之，其样件的3 d 检测工艺流程_ ”可以分为如下几个步骤： 1 ) 样件的定位 通常情况下，被测样件的形状复杂多样，样件定位的好坏直接影响到3 d 扫 描的点云质量。由于样件的形状的多样性和不同零件需要扫描的部位要求各异， 因此有必要在对被测件的形栌充分分析了解的基础上确定出合理的定位方案， 以达到最佳的扫描检测效果和获得满足检测要求的点云数据。 2 ) 获取点云 第2 章a p o d e 设备：j ：作原理 目前在逆向工程领域，获取被测 件表面3 d 数据的方法主要有接触式 和非接触式两大类。依据检测设备测 量头的形式不同，接触式又可进一步 细分为连续式和触发式两种；另外， 依据检测原理不同，非接触式又可进 一步分为光学式和非光学式两种类 型。其分类如图2 5 所示。光学式心i 】 又分为三角形法、结构光法、激光干 涉法等；非光学式则分为m r i 测量法、 层析法和超声波法等。 光节式 k 壁嘏 图2 5 点云获取方法 三角形法l 一。， 结构党法l 激光干涉浃j = = ：= ：，：? “= = ! r 算机视觉：i 去i 嘲r i 测麓法i = = = = = = ：= = = = = = = j 超声渡法； 层折法 = = = = = = = = ：= ：= = = 富 c t 测譬法 在目前情况下，结构光法以其较高的检测效率和较大的检测范围，精度和 稳定性，以及简单的结构和适用于车间在线检测等优点，在逆向工程领域得到 了极为广泛的应用瞳划。其基本原理如图2 6 所示，一定模式的入射光线由p 点 投照射到被测物体表面的d 点，如果被测物体不存在，则入射光线直接投射到 参考平面上的a 点。如果存在被测物体，则p 点入射光线投射到被测物体表面 的d 点，从z 轴方向可以看出，由于p 点的入射光线受到被测物体表面高度的 限制，光栅影线发生变形，原来参考平 面上的a 点移动到了参考平面上的c 点。 实际上距离a c 便包含了主要的高度信 息z = h ( x ，y ) ，也就是说被测物体 的高度受到了其表面形状的调制乜3 l 。目 前，解调变形光栅的方法很多，傅立叶 分析法和相移法是其中两种最主要的解 z 歹厂 。专静。 i c 、哮 图2 6 结构光法的基本原理 调变形光栅的方法。相比来讲，傅立叶法较易实现自动化，但其精度比较低。 结构光法的采用可以大大提高a p o d e 的检测精度和检测效率，尤其是分区 测量技术的改进，进一步增大了光栅投影测量的范围，最终成为当前逆向工程 测量中最广泛和成熟的检测方法。 3 ) 数据处理 利用结构光法来获取的汽车冲压件表面的点云数据，引入误差是难以避免 的。由于受到冲压件空问几何形状和所使用检测方式的束缚，就会在数据采样 时不可避免的存在部分测量盲区，加大后续造型的困难。例如冲压件的锐边及 其边界附近的点云数据以及数据中的坏点，就会不可避免的偏离原曲面。因此 对检测到的数据预处理比”是必须的，现分述如下： ( 1 ) 数据平滑及处理异常点 数据平滑主要涉及到滤波算法，通常采用的滤波算法有平均、高斯或中值 滤波。平均滤波主要取的是所采样数据点的统计平均值，而高斯魔波具有很好 的保持数据原貌的功能，中值滤波主要取的是所采数据点的统计中值，冈此具 有很好的消除数据毛刺的作用。滤波方式的选择主要根据样件所要达到的检测 第2 章a p o d e 设备i ：作原理 精度灵活地选用心引。另一方面，严重影响样件表面曲线光顺性的“跳点”和“坏 点”必须剔除。 ( 2 ) 数据精简 由汽车冲压件表面得到的点云数掘并非都是可用的，其必然存在大量冗余 数据，因此必须将数据精简。根据点云的类型不同，采用不同的精简方法：扫 描线或多边形点云使用倍率缩减、弦高差等方法进行精简；散乱点云使用随机 采样来进行精简；网格化点云使用最小包围区域法和等分布密度法来精简3 。 无论哪种点云精简方法，都存在着丢失有用数据信息的情况，尤其是在一些棱 线及曲率变化大的区域。 ( 3 ) 3 d 点云对齐技术 对检测的结果进行评判的方法是利用最 小包容法，在同一坐标系内，利用设计模型 作为理想参考模型，对两个模型进行对齐比 较。 将由汽车冲压件表面扫描得到的点云数 据，定位到标准的的c a d 模型中，这就是所 谓的电脑辅助检测( c o m p u t e ra i dv e r d i c t ) 简称c a v 心 。定位对齐的方式主要是借助于汽 车冲压件的外在几何特征，如：轴线、圆心、 圆柱等进行定位对齐。如图2 7 所示。这些 形体特征总体归纳出来也就是点、线、面三 类。点是指单一的点、弧的中心或球的圆心 点的形矿、o 线的形矿岔园 向线的形佥圆 黼 = q 面露善 图2 7 几何特征 等；线可分为有向和无向直线，比如圆锥或圆柱中心轴线；平面可分为平面和 圆两种形式。若以点为特征则定位对齐后两点重合；以线为特征则无向直线会 共线，有向直线除了共线之外会将两线的方向归为一致，除了有上述两种情况 外，还有一种固定式直线，对齐后起始点会重合哺1 。通常情况下，在选取定位 对齐特征时，除限制样件自由度外，应采用最少定位原则将冲压件定位对齐， 会得到较好的效果。 4 ) 设定检测标准完成比较分析 将点云数据与c a d 模型对齐之后，就可以进行比较了。利用i m a g e w a r e 提 供的检测模块可以很方便的显示对齐结果。首先选取点云数据和c a d 模型，设 定一些图形输出参数，例如误差图形形式、c h e c k i n gd i s t a n c e ( 最大计算范围) 、 m a xa n g l e ( 最大计算角度) 值等。若二者问的实际距离超出设定值，则系统将 会自动忽略该范围内计算结果。当二者对比完成以后，系统就会显示各种误差 值，例如币、负向误差、平均误差及最大误差等。 另外，还可以借助i m a g e w a r e 内在的评估模块e v a l u a t e 对所获得的汽车冲 压件点云数据进行直线度、平面度、圆柱度等参数进行综合分析评估以判别冲 压件的质量，并且还可以以图表的形式将结果输出出来。 9 第2 章a p o d e 设备l ：作原理 2 3a p o d e 功能及技术参数 本课题研究的a p o d e 主要用于中、小型汽车冲压件的在线检测，具有如下 的功能特性： 1 ) 检测效率高，能够快速准确的获取冲压件表面的点云数据。 2 ) 自动检测，人工干预少，使用微机控制，软硬件集成度高。 3 ) 环境适应能力强，在较为恶劣的现场环境中能讵常工作。 表2 2 显示了a p o d e 的技术参数 表2 2 a p o d e 技术参数 参数没计值 x6 0 0 测量行程( m m )y2 4 0 z2 0 0 x1 0 0 0 主机外形尺寸( m a n ) y6 5 0 z7 0 0 光栅分辨率( g i n ) o 5 测量精度( i x m l ：m m ) 3 0 + l 2 5 0 最人测量速度( m m s ) 3 0 0 空气压力( m p a )0 6 - o 8 最大承受重量( k g ) 2 0 0 仪器重量( k g ) 8 5 0 2 4a p o d e 设备的组成 2 4 1 主机 a p o d e 的机械主体即主机是汽车冲压件在线检测设备的重要组成部分，几 乎包含了汽车冲压件在线检测设备的所有机械部分，例如滑架、桥框、底座、 工作台以及驱动装置等。光学扫描测量系统搭载在机械主体z 轴上，依靠三个 主轴各自的独立运动，实现对冲压件多角度、全方位的扫描测量。为了提高设 备的丌发难度、提高丌发效率，a p o d e 主机的总体结构借鉴了已成熟的三坐标测 量机的空间结构。但从设备的使用特性来讲，二者有很大的不同。协1 。 1 ) a p o d e 主要用于汽车冲压件的在线检测，但是三坐标测量机一般工作于 离线状态。 2 ) 由于用于在线检测，车问环境的影响是不可避免的，因此a p o d e 所在的 工作环境比较差，车问振动、温度以及湿度都会对检测精度产生影响。而三坐 l o 第2 章a p o d e 设备i ：作原理 标测量机一般放置在专门的测量室中，具有较好的工作环境。 3 ) 由于使用了结构光扫描检测，在满足汽车冲压件检测精度的自矿提下， a p o d e 具有较高的检测效率，使汽车冲压件1 0 0 的在线检测成为可能。但是三 坐标测量机却无法满足这样的要求。以著名的意大利d e a 公司的双臂坐标测遥 机b r a v 0 4 3 0 8 ( 9 0 年代中期水平) 为例。”1 ，即便是以最快的速度测量整车1 6 0 个点，其