车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术的分析.pdf

车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c hf o rl a s e rd e t e c t i o no f t h eg a pa n df l u s ho nt h ec a r b o d y 姓 2 0 15 年6 月 万方数据 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：予氰勇 w 啤6 月7 日 万方数据 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被 查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数 据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授 权江苏大学研究生院办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：静鹁 i 歹年6 月7 日 l么自 鲁： 擀年 师、 教 叭 导 2 特 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 摘要 车身覆盖件间隙面差检测是评价汽车车身匹配质量的一个重要手 段，其匹配精度会直接影响到汽车车身的整体外观、封闭性、开关流畅 性以及风噪声等。对于间隙面差检测，由于国外相关检测产品昂贵的价 格以及国内研究开发的相关局限性，绝大多数国内汽车主机厂和零部件 厂仍然沿用传统的手工检具及c u b i n g 模型和接触式三坐标测量机 ( c m m ) 等手段进行间隙面差检测。传统检具及c u b i n g 模型需要工程 技术人员进行手动定性检测，检测过程中容易受到主观因素的影响，且 效率低；接触式三坐标测量机除需要在特定监测环境里进行检测外，如 果测量特征点增多，很容易影响检测效率。本课题基于非接触激光测量 原理设计了一个成本低、精度高且能够完成数据采集和快速计算间隙面 差的激光检测系统，并深入研究了激光检测系统的相关关键技术，进行 了实验结果验证。本论文研究工作主要从以下内容展开： 1 分析车身覆盖件间隙面差激光检测系统的系统结构，具体阐述检 测系统的工作流程以及激光检测系统的主要结构，包括激光检测控制系 统数据处理系统、测量机和2 d 线激光传感器测头的介绍，以及激光检 测系统的应用。 2 根据乘用车辆各个位置的间隙面差测量的基本要求及间隙面差测 量定义的现状，分析了问隙面差的几何结构，提出了激光检测间隙面差 数据的处理流程和方法，重点构建了间隙面差计算的数学模型，并通过 模拟块和塑料覆盖件的检测实验验证了其理论计算精度。 3 试验激光传感器测头的热稳定性和运用正交试验法进行研究激光 传感器测头的最优位姿，将工件表面粗糙度、扫描定位距离、倾斜测量 角度作为变量进行试验。为间隙面差激光检测系统的完成提供了试验参 t 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 考，为激光检测间隙面差技术的进一步发展奠定了基础。 4 将激光检测系统标定的重心转移到软件数值计算过程，提出了更 适合建立“共轭对”的优化算法，实现激光检测系统标定。 关键词：激光检测，间隙面差，最优位姿，系统标定 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e t e c t i o no ft h eg a pa n df l u s ho fc a rb o d yc o v e r i n gi sa ni m p o r t a n t m e a nt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fc a r b o d ym a t c h i n g ，t h em a t c h i n ga c c u r a c yw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h eg e n e r a la p p e a r a n c eo ft h e c a rb o d y ，t h ec l o s e n e s s ，t h e f l u e n c ya n dw i n dn o i s e ，e t c i nt e r m so ft h ed e t e c t i o no fg a pa n df l u s h ，t h e m a jo r i t yo ft h ed o m e s t i cc a l o e m sa n dp a r t sf a c t o r i e s a r es t i l lu s i n gt h e t r a d i t i o n a lm a n u a li n s p e c t i o nt o o l s ，c u b i n gm o d e l ，c m mt od e t e c tg a pa n d f l u s h ，b e c a u s eo ft h ee x p e n s i v ep r i c eo ff o r e i g nr e l a t e dd e t e c t i o nt o o l sa n d l i m i t a t i o n so ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cr e l a t e dp r o d u c t s t h e t r a d i t i o n a li n s p e c t i o nt o o l sa n dc u b i n gm o d e la r ev u l n e r a b l et ot h ei n f l u e n c e o fs u b j e c t i v ef a c t o r s d u r i n gm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，w h i c hn e e de n g i n e e r m a n u a l l yq u a l i t a t i v ed e t e c t i o n ，r e s u l t i n g i nl o w e f f i c i e n c y ；b e s i d e s t h e m e a s u r e m e n t sa t s p e c i f i cm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t ，d e t e c t i o ne f f i c i e n c yi s s u b j e c tt oi n f l u e n c e db yt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t s b a s e d o nn o n c o n t a c tl a s e rm e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e rd e s i g nal a s e rd e t e c t i o ns y s t e m w h i c hc a nc o m p l e t et h ed a t aa c q u i s i t i o na n df a s tc a l c u l a t i o no fg a pa n df l u s h a n dd e e p l yr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g yo fl a s e rd e t e c t i o ns y s t e ma n dv e r i f y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i sp a p e ri n c l u d e sf o u rp a r t sa sf o l l o w i n g ： 1 a n a l y s i so ft h e s t r u c t u r eo ft h el a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e ma n d i l l u s t r a t e st h e w o r k i n gp r o c e s s o fd e t e c t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h el a s e r m e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e m d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ，m e a s u r i n gm a c h i n ea n d 2 dl i n el a s e rs e n s o r ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 a c c o r d i n gt ot h e b a s i cd e m a n do fg a pa n df l u s ha tt h e d i f f e r e n t p o s i t i o na n dt h es t a t u so ft h ed e t e c t i o no fg a pa n df l u s h ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h eg e o m e t r ys t r u c t u r eo fg a pa n df l u s ha n dp r o p o s e sam e t h o dt oc a l c u l a t e t h ed a t aa c h i e v e db yt h el a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dc o n s t r u c t st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a pa n df l u s ha n dv e r i f i e st h ec a l c u l a t i o na c c u r a c y 1 1 1 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 t h r o u g ht h es i m u l a t i o nb l o c ka n dp l a s t i cc o v e t i n gp a n se x p e r i m e n t 3 t h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h el a s e rs e n s o rp r o b et e s ta n dd e t e r m i n et h e o p t i m a lp o s i t i o no ft h ep r o b e l a s e rs e n s o rb yt h em e t h o do fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h es u r f a c er o u g h n e s s ，s c a n n i n gd i s t a n c e ，t i l ta n g l ea sv a r i a b l e s t h i sp a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h el a s e rd e t e c t i o ns y s t e mo ft h eg a pa n d f l u s ha n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fl a s e rd e t e c t i o no ft h e g a pa n df l u s ht e c h n o l o g y 4 t r a n s f e r s f o c u so fc a l i b r a t i o no fl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e mt ot h e p r o c e s so fn u m e r i c a l s o f t w a r ec a l c u l a t i o na n dp r o p o s e da no p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nc o n j u g a t et oa c h i e v et h ec a l i b r a t i o no fl a s e rm e a s u r e m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：l a s e rd e t e c t i o n ，g a pa n df l u s h ，o p t i m a lp o s i t i o n ，s y s t e m c a l i b r a t i o n i v 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 课题研究的背景、目的和意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 课题的目的和意义2 1 1 3 课题的来源2 1 2 间隙面差测量工具现状3 1 3 激光检测技术发展现状8 1 3 1 激光测量技术8 1 3 2 检测系统标定一9 1 4 本课题研究内容与结构安排1 0 1 4 1 研究内容1 0 1 4 2 结构安排1 1 第二章车身覆盖件间隙面差激光检测系统1 3 2 1 车身覆盖件间隙面差检测基本情况1 3 2 2 激光检测系统的工作流程1 6 2 3 激光检测系统的结构1 7 2 3 1 激光检测控制系统数据处理系统一1 7 2 3 2 测量机18 2 3 3 激光传感器测头1 8 2 4 激光检测系统的应用1 9 2 5 本章小节1 9 第三章车身覆盖件间隙面差激光检测数学模型的构建2 0 3 1 间隙面差测量的基本要求2 0 3 2 间隙面差测量定义现状2 2 3 3 激光检测间隙面差计算定义2 5 3 4 激光检测数据的处理流程和方法2 6 3 5 间隙面差激光检测数学模型的构建2 8 v 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 3 5 1 问隙的数学模型2 8 3 5 2 面差的数学模型2 9 3 6 实验数据与分析2 9 3 7 本章小节3 1 第四章车身覆盖件间隙面差激光检测最优位姿的选择。3 2 4 1 激光传感器测头的基本工作原理3 2 4 2 检测约束条件研究3 3 4 3 试验方案设计3 4 4 3 1 试验设备3 4 4 3 2 试验过程与分析3 4 4 4 试验数据处理分析3 8 4 4 1 热稳定性试验数据分析3 9 4 4 2 激光传感器测头最优测量位姿试验数据分析4 0 4 5 本章小节4 2 第五章车身覆盖件间隙面差激光检测系统标定4 3 5 1 标定意义和坐标系的定义4 3 5 1 1 激光检测系统标定意义4 3 5 1 2 激光检测系统坐标系定义4 3 5 2 激光检测系统标定问题4 4 5 3 激光检测系统标定算法4 5 5 4 共轭对确定4 9 5 5 实施步骤5 0 5 6 本章小节5 0 第六章总结与展望5 1 6 。1 总结5 1 6 2 展望5 2 参考文献5 3 骛i 谢5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加的科研项目5 7 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 1 1 1 研究背景 汽车工业的发展在国民经济发展和社会现代化中，起着难以替代的支柱重要。汽车 的车身是汽车上层建筑，车身重量和制造成本约占整车的4 0 6 0 ，汽车车身的制造质 量在很大的程度上决定了整车的性能【l 】。随着汽车需求市场的变化，汽车生产行业的特 征变化也愈发明显，各主机厂不断推陈出新，从定位上对消费市场进行细分，更加明显 的是，主机厂对产品品质的要求也越来越高，以前只是对关键零件的关键尺寸进行批量 抽检，现在需要对更多的零件的更多尺寸精度和整车装配后的间隙面差值，采用更高频 次的检查，甚至全检，这对汽车产品的测量方式提出更高的效率和精度要求。而车身主 要由车身结构件和车身覆盖件组成，单个车身覆盖件的尺寸精度满足设计要求但不一定 整车装配后的误差就满足整体外观要求，且车身覆盖件( 轮廓尺寸大，不规则，其截面 和翻边形式多样) 大多都是通过特定的方式冲压而来，经过冲压拉伸后，尺寸可能会有 些误差，在整车装配的时候，如果覆盖件尺寸误差较大就会导致整车装配过程中覆盖件 之间存在较大的间隙和面差，就会直接影响到汽车车身的整体外观、密封、开关流畅性 以及风噪声等，所以对覆盖件之间的间隙面差尺寸必须进行严格的控制【2 1 。汽车车身覆 盖件是汽车车身制造生产的关键环节，作为外观零件，往往影响用户对汽车的第一印象， 因此，主机厂( 即整车厂，如大众、通用等，与此对应的是零部件厂，如佛吉亚、博世 等) 对车身覆盖件越来越重视，而评价车身覆盖件匹配质量的关键数据是两个相邻覆盖 件之间的间隙面差，对间隙面差的现代化检测必将是未来发展的趋势。 间隙是指基准件和相关件之问缝隙大小的最小间距，面差是指基准件和相关件在同 一个水平面的高低位置差。覆盖件之间间隙面差的大小与整车的使用性能密切相关，当 车身前脸的保险杠与发动机盖的配合间隙过大时，就会降低组装精度，使用过程中车辆 就会产生很大的震动噪声；当车门的间隙过大，就会影响车辆的性能，导致门松或门关 不严，进而影响车辆乘坐的舒适性和整车的使用寿命。现在人们对汽车的外观要求越来 越高，车身间隙面差的大小对整车外观的影响至关重要，严格控制间隙面差大小的尺寸， 1 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 是车身造型美观的必要条件，对车身问隙面差尺寸进行检测是提高汽车综合性能的必要 条件f 封。 1 1 2 课题的目的和意义 随着工业产业对人力成本控制力度的加强，对产品质量要求的提高以及对流水线生 产质量控制方式的革新等，无论传统机械检测还是电感式检测，在评定间隙和面差时， 已经很难适应上述革新的要求，为此，研发新一代智能检测产品符合工业产品发展的趋 势，有利于企业产品质量的提高。由于世界汽车工业的飞速发展，检测技术已经逐渐渗 透到各种汽车制造工艺环节中，成为控制汽车生产制造质量的关键手段。智能检测技术 在近几年更是得到了飞速的发展，各大汽车制造厂商也在不断引进和研发新型检测设备 来提高自身的制造水平，力求达到精益生产的目标。其中，激光在线检测系统凭借其优 秀的检测特点、快速精确的检测性能，作为检测车身装配质量的重要手段，逐步进入各 大汽车制造厂的装配线中。 当车身覆盖件是被测硬度较低的非金属材料时，采用激光非接触式测量，既不容易 损伤覆盖件表面，也不会因测量工具接触发生力的作用而引起较大误差。而且与传统的 接触式测量方式相比，能够完成自车身经多道喷漆后，整车的间隙面差检测，以避免测 量工具接触对覆盖件表面的损伤。 本课题属于应用性研究的范畴，研究的主要目标是面向汽车零部件生产企业，为其 提供以检具为目标物的的问隙面差检测。对车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术的 研究，对于在国内研发推广问隙面差激光在线检测系统、打破国外公司在国内市场该领 域的垄断局势、提高在线检测的普及率、进而提高国内生产水平等，都具有十分重要的 意义。 1 1 3 课题的来源 本课题研究方向主要来源于江苏大学和江苏申模合作研究项目： “基于检具的覆盖件间隙面差激光检测技术研究项目”( 江苏大学机械工程学院图 形技术研究所、江苏申模数字化制造技术有限公司，2 0 1 3 2 0 1 4 ) 2 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 1 2 间隙面差测量工具现状 在现阶段，汽车企业对汽车生产的大趋势是多品种，大批量，对生产工艺设备以及 测量设备提出了更高的要求，从表1 1 现有测量t 具对比所示，随着未来测量技术的不 断发展，测量对用户的依赖程度必将越来越弱，工具必将越来越灵活适用。 表1 1 现有测量工具对比 t a b 1 1t h ec o m p a r i s o no f t h ee x i s t i n gm e a s u r i n gt o o l 传统机械式测量工具传统数显式测量工具电感式测量工具激光测量工具 用户 依赖 强强弱弱 准确低：工具使用的角度或较高：采用对比测 高：显示屏会实时 性和平行度都会对数据的精 较高：无需调整零部件， 量的方式，使实际 显示测量角度和 重复确性和重复性产生严重 比起金属制段差尺精度 测量结果与标准比 离被测表面距离， 和重复性高更可自由设定或 性影响较 更改测量定义 测量 接触式 接触式 非接触式非接触式 容易造成表面移动或变 使用高硬度工程塑料加 选用模拟式电感位不会碰到被测表 方式 工制造，操作时可防止 形，甚至损坏被测表面移传感器面 刮伤表面 保持清洁，防水，长期避免接触水等液态需清除测头的灰 保养需定期清洁和保养 不使用应取出电池物质尘 较高：不能满足某 工具低：每一个工具都会受 较高：适合在平面和曲些场合下的检测需 高：激光对测量的 适用 到它的类别、大小、形 限市0 较低，对内间 性 状限制 面上做出稳定的测量求，测头会受到干 扰以致无法工作 隙测量能力弱 测量值以电信号输数据记录和分析 数据 测量后，管理者无法获 无线数据传输，避免手 出，既可以直接显全自动化，使用者 存贮知数据测量方法和测量 工抄写数据时产生错误示，也可以存贮于可以重新处理过 管理定义 计算机去数据 现有主机厂及相关零部件企业使用的测量工具主要分为四类：传统机械式测量工具、 传统数显式测量工具、电感式测量工具、激光测量工具。 1 ) 传统机械式测量工具 间隙尺【4 _ 5 1 ( 如图1 1 、1 2 、1 3 、1 4 所示) 是一种测量间隙宽度的量具。间隙尺一 般以毫米为单位，每毫米间隙尺平均分为1 0 等份，每份0 0 1 毫米。 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 图1 1 普通间隙尺 f i g 1 1t h ea v e r a g eg a pr u l e r 图1 2 楔形间隙尺 f i g 1 2t h ew e d g eg a pr u l e r 4 图1 7 德国f e i n 塑料面差尺 f i g 1 7t h eg e r m a nf e i np l a s t i cf l u s hr u l e r 图1 8 八方面差尺 f i g 1 8t h ee i g h ta s p e c tf l u s hr u l e r _ 一。一主一 爨裁瓣滋潍瑟褥嚣； 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 图1 9 四方面差尺 f i g 1 9t h ef o u ra s p e c tf l u s hr u l e r 游标面差规8 1 ( 如图1 1 0 、1 1 1 所示) 又名游标段差规，采用不锈钢材质，通过测 量测杆与基面距离得到面差值，再通过游标读数。 图1 1 0 在宇工具图1 1 1 日本天鹅面差规 f i g 1 1 0i ny u t o o l f i g 1 11j a p a ns w a nf l u s hg a u g e 2 ) 传统数显式测量工具 传统数显式测量工具是塑料面差尺跟电子数显面差尺结合设计出的产品，升级替代 了塑料面差尺，主要分为数显面差尺( 如图1 1 2 、1 1 3 所示) 和塑料数显面差尺( 如图 1 1 4 、1 1 5 所示) ，数显面差尺为了提高测量数据的准确性，其产品结构大部分由金属测 针和金属基面组成，在测量带漆面的测量物体表面时容易在被测物体表面留下划痕，不 能满足所有产品对面差的测量，这也一直是汽车行业所面临的一个问题。塑料数显面差 尺根据实际测量需求解决了多年汽车行业所面临的这个问题，大大提高了工作测量的效 率。传统数显式测量工具的优势在于有很大的测量范围，精度比较高，误差比较小，分 辨率能够达到0 0 1 毫米，总体显示误差小于0 0 3 毫米，解决了塑料面差尺的缺点，单一 固定才能数据测量，提供了一个更准确的测量数据，广泛应用在汽车电子行业和模具行 、l k 。 图1 1 2 天目数显面差尺图1 1 3 数显面差尺示意图 f i g 1 12t h et i a n m ud i g i t a lf l u s hr u l e r f i g 1 13t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i g i t a lf l u s hr u l e r 。；甜 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 鬟滋 图1 1 4 美国b 2 s e t p g a g u e 间隙面差尺图1 1 5j s t 塑料数显面差尺 f i g 1 14t h ea m e r i c ab 2 s e t p g a g u eg a pa n df l u s hr u l e rf i g 1 15t h ej s tp l a s t i cd i s p l a yf l u s hr u l e r 3 ) 电感式测量工具 w i s eg a p 无线内间隙传感系统( 如图1 1 6 、1 1 7 所示) 突破了传统的间隙测量技术， 提高了测量的速度和准确性，并取代了一些笨拙手动的测量工具，不再需要在汽车不同 部位选用不同测量器具，安装拆除靠磁性，通过无线远程控制测量工具，尤其适合测量 封闭和难接触的内间隙。w i s eg a p 的操作直观简单，测量效率高，数据准确。多个w i s e g a p 传感器可以同时通过无线控制使用，不需繁复多样的连线，数据采集也可以同时采 取两边车门与车身之间的间隙。w i s eg a p 与传统测量工具相比，间隙测量技术可以说是 一种技术性突破。 图1 1 6 w i s e g a p 内部间隙测量 f i g 1 16t h ew i s eg a pi n t e m a lg a pm e a s u r e m e n t 图1 1 7 多个传感器同时测量 f i g 1 17a tt h es a m et i m em e a s u r e m e n tm u l t i p l es e n s o r s 4 ) 激光测量工具 英国三维g a pg u n 激光间隙枪( 如图1 1 8 、1 1 9 所示) 是一个人工手提式的激光检 测系统，它使用激光测量技术对待测位置进行测量，这种采用光学式的测量技术不需要 直接接触被测位置表面，即可进行非常精确的测量。g a pg u n 激光间隙枪主要针对汽车 轮廓复杂，且不容易测量的被测位置表面尺寸设计。它使用了功能强大的软件，能够有 效分析各种复杂轮廓，提高测量过程效率，更能测量到传统测量工具无法测量的地方。 6 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 它能取代在生产、品质检验过程中所需的人工测量工具，同时能对自动化的数据进行管 理和储存。大大降低了人为产生的误差，提高了整体工作效率。 图1 1 8g a pg u n 手持式测量图1 1 9 软件分析 f i g 1 18t h eg a pg u nh a n d h e l dm e a s u r e m e n tf i g 1 19t h ea n a l y s i ss o f t w a r e 奥地利n e x ts e n s e 公司c a l i p r ig a p ( 如图1 2 0 、1 2 1 所示) 手持间隙测量仪，它是 一款非接触式光电测量仪，该产品拥有多项专利技术，如c c d 照相技术、激光测量技 术、软件处理技术等，可在短时问内对各类零件完成测量，包括角度、半径、长度、间 隙、面差等，它还能自动完成测量和计算曲线轮廓。 图1 2 0c a l i p r ig a p 手持式测量图1 2 1c a l i p r ig a p 在线式测量 f i g 1 2 0t h ec a l i p r ig a ph a n d h e l dm e a s u r e m e n tf i g 1 21t h ec a l i p r ig a po n l i n em e a s u r e m e n t 美国o r i g i n 公司l a s e rg a u g e ( 如图1 2 2 、1 2 3 、1 2 4 所示) 是高精度便携式激光外 形测量系统。其结合激光外形测量技术和虚拟的v i r t u a lg a u g e 软件模拟测量法，为间隙 和面差的测量提供了一个系统的解决方案。激光检测系统利用几何三角原理，通过c c d 来捕捉激光二极管发射出来的激光反射线，然后转化为电信号。控制盒对转化后的电信 号进行处理，并在坐标系中测量零件的基本特征。激光探头将被测零件的截面扫描出来， 然后通过使用多种运算方法( 包括v i r t u a lg a u g e ) 计算出所需要的特征数值。 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 1 3 激光检测技术发展现状 图1 2 3 软件分析 u r e m e n t f i g 1 2 3t h ea n a l y s i ss o f t w a r e 图1 2 4 扫描得到轮廓 f i g 1 2 4t h es c a n n i n gp r o f i l e s 随着科技技术的迅速发展，汽车制造业工艺的不断提高，对检测方式的要求越来越 高。传统的手工检具及c u b i n g 模型和接触式三坐标测量机( c m m ) 等手段进行的间隙 面差检测【9 ，己不能满足汽车制造业的检测需求，而非接触、高精确、高实时、数字化 和便携化，已经成为检测行业的主要发展趋势。产生于二十世纪末期的间隙面差激光测 量技术以及与之相关的产品，是现在诸多前沿技术的综合，它采用高精度、高效率、非 接触的工作方式，可以实现在不同条件下对间隙面差同时测量。车身覆盖件间隙面差激 光检测技术涉及多方面的研究内容，包括激光检测系统的系统标定1 1 0 】、坐标找正、路径 规划【1 1 。1 3 】、数据采集( 激光检测位姿) 、数据处理( 异常点处理、数据滤波去噪、数据曲 线拟合 1 4 - 1 5 、特征点提取) 和间隙面差计算输出等。对比发达国家，我国对间隙面差激 光检测技术的研究还没有形成成熟的系统理论框架，技术还不够成熟，成型产品较少， 检测精度、效率等都不够理想，下面主要介绍激光测量技术、检测系统标定方面的研究 情况。 1 3 1 激光测量技术 由光学、机械、电子等各种技术融合发展的激光测量技术，它是从传统的测绘技术 和精密的传感工艺，各种现代高科技融合发展起来的，它是一个概括的多种传统测绘技 8 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 术d 6 - 1 8 。 激光三角法( l a s e r t r i a n g u l a t i o n ) f 1 3 于具有测量速度快、精度高、指向性强、便携性、 原理简单、数字化显示、计算量小、抗干扰能力也比较强等优点 1 9 - 2 0 】，是现在在科学研 究的道路上和工业生产制造过程中广泛应用的技术。目前主要应用于线结构光三维激光 扫描测量 2 1 。2 3 1 、z 轴随动大型曲面检测口4 1 、焊缝、板材厚度、表面缺陷、粗糙度等的检 测。 1 3 2 检测系统标定 天津大学的赵金才【2 5 】详细介绍了利用c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) 摄像机采集被 测物体的实际图像，选择三坐标测量机的z 轴固定摄像机，并利用测头坐标系建立摄像 机坐标系跟三坐标测量机坐标系之间的关系，根据测量机和标准球的优势，即运动精度 高和光学性能佳，设计了摄像机坐标系和测头坐标系的校准方法即标定方法，可以利用 非共面标定的方法校准出摄像机内部参数，也能够确定摄像机坐标系和测头坐标系之间 的旋转、平移关系。根据图像边缘矩的部分，可以自动识别图像中的坐标系部件的位置 和方向。利用坐标变换之间的关系，最终在三坐标测量机的机器坐标系中，实现被测物 体位置和方向的自动识别功能的定位。天津大学的位洪军 2 6 】介绍了线激光三维扫描技术 的基本原理，对激光三角测量原理和摄像机成像数学模型的分析，推导了图像坐标系、 摄像机坐标系和世界坐标系的关系，以立体标靶的标定原理进行研究。在理论分析的基 础上，介绍了测量系统的总体结构设计和工作原理，以及对图像采集、运动控制和线激 光转台控制的硬件和软件设计了相应的控制流程。河北科技大学的韩宁 27 】提出了一种基 于边缘的图像质心偏移的立体匹配方法，在立体匹配，边缘提取，以相应的特征点的约 束条件，利用这两个边缘图像的质心偏移距离，完成平行双目视觉立体匹配。从c a d 模型中获得三维重建部分的信息，通过求解两个坐标系的转换关系，最终实现被测物体 在三坐标测量机中自动识别位置和方向的功能。 国内外学者对采用单一的激光传感器测头测量系统的标定问题已有很多与之有关的 研究。四川大学的李剑峰2 8 1 等设计了1 种多轴激光三维测量系统，它主要包含臂式机器 人、线激光扫描仪和旋转平台。上海交通大学的石路 2 9 1 为了得到大型零件的3 d 数据， 将2 d 激光位移传感器和伺服电机结合发展，建立了个非接触式的3 d 激光检测系统。 g u o q i n gw d 和g e r dh i r z i n g e r 3 0 针对安装在臂式机器人上的激光传感器测头系统，建 9 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 立了一种用平面作为标定对象的自动标定方法。m a n t o n e 和yf r i e d m a n 【3 1 1 提出了一种 基于多足的校准对象移动的机器人标定方法。 1 4 本课题研究内容与结构安排 1 4 1 研究内容 基于激光传感器测头测量的间隙面差检测系统大致可以分为三种：零件测量、在线 测量、便携式测量，如图1 2 5 所示。本课题针对零件测量为主，面向汽车零部件生产企 业，为其提供以车身覆盖件为目标物的的间隙面差测量。 零件测量 在线测量便携式测量 图1 2 5 测量系统 f i g 1 2 5t h es y s t e mo fm e a s u r e m e n t 在实施车身覆盖件间隙面差激光检测的时候，如图1 2 6 技术流程图所示，主要有激 光检测系统标定、坐标找正、路径规划、数据采集( 激光检测位姿) 、数据处理( 异常点 处理、数据滤波去噪、数据曲线拟合、特征点提取) 和间隙面差计算输出等多项关键技 术，根据项目课题需要，本论文着重对间隙面差的数学计算模型，数据采集中的激光检 测位姿和激光检测系统标定这三个关键技术进行研究，为间隙面差激光检测系统的研发 做了铺垫。 1 0 赫氅 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 1 - 4 2 结构安排 图1 2 6 技术流程图 f i g 1 2 6t h ef l o wc h a r to f t e c h n o l o g y 本论文共有六章节，各章节安排如图1 2 7 全文框架结构图所示： 第一章 绪论 l 第二章 车身覆盖件间隙面差、撒光 检测系统 、一一一l”一。、 第三章 第四章 第五章 l 车身覆盖件间隙面差激光 车身覆盖件间隙面差辙光 车身覆盖件间隙面差澈光 l检测数学模型的构建 检测最优位姿的选择 检测系统标定 i 第六章 总结展望 图1 2 7 全叉框架结构图 f i g 1 2 7t h es t r u c t u r eo ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n 本论文各章节主要安排如下： 第一章：首先说明车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究选题的背景及目的 和现实意义，介绍了现有间隙面差测量工具以及激光检测系统的国内外研究现状，并对 现有激光测量相关技术现状做了分析，指出了文章研究的重点。 第二章：主要分析了车身覆盖件间隙面差激光检测系统的系统结构，具体阐述检测 系统的工作流程以及激光检测系统的主要结构，包括激光检测控制系统数据处理系统、 测量机和2 d 线激光传感器测头的介绍，以及激光检测系统的应用。 第三章：主要介绍了乘用车辆各个位置的间隙面差测量的基本要求及间隙面差测量 z k q 20150924 万方数据 车身覆盖件间隙面差激光检测的关键技术研究 定义的现状，分析了间隙面差的几何结构，提出了激光检测间隙面差数据的处理流程和 方法，重点构建了间隙面差计算的数学模型，并通过模拟块和塑料覆盖件的检测实验验 证了其理论计算精度。 第四章：主要从激光传感器测头的工作理论出发，试验了激光传感器测头的热稳定 性和运用正交试验法进行研究激光传感器测头的最优位姿，将工件表面粗糙度、扫描定 位距离、倾斜测量角度作为变量进行试验。为间隙面差激光检测系统的完成提供了试验 参考，为激光检测间隙面差技术的进一步发展奠定了基础。 第五章：将激光检测系统标定的重心转移到软件数值计算过程，提出了更适合建立 “共轭对”的优化算法，实现激光检测系统标定。 第六章：总结与展望，先对全文工作进行总结，在此基础上，指出激光检测系统需 要进一步研究和解决的问题。 1 2 z k q 20150924 万方数据 江苏大学专业硕士学位论文 第二章车身覆盖件间隙面差激光检测系统 随着车身覆盖件越来越受到主机厂( 即整车厂，如大众、通用等，与此对应的是零 部件厂，如佛吉亚、博世等) 的重视，而评价车身覆盖件匹配质量的关键数据是两个相 邻覆盖件之间的问隙面差，对问隙面差的现代化检测将是未来发展的趋势。在国内，现 有检具仅仅能够提供直观定性的分析，而在线检测设备的应用又处于起步阶段，针对国 内大多数汽车零配件制造公司对自动化的、高效的、定量的智能检测工装的技术要求以 及强烈的需求，采用2 d 激光传感器测头与伺服电机相结合，建立了个基于车身覆盖 件的间隙面差激光检测系统。该系统由激光检测控制系统控制伺服电机带动2 d 激光传 感器测头在测量空间内进行平移、旋转运动，实现对被测物体的间隙面差信息的检测。 本章首先综述了车身覆盖件间隙面差检测基本情况，接下来对本课题的激光检测系 统的原理流程和各个组成部分进行了分析介绍。本章作为后续章节的基础部分，在介绍 激光检测系统的同时，其工程实际适用范围广，在检测精度满足的条件下，可以迅速在 其他工业领域推广使用。 2 1 车身覆盖件间隙面差检测基本情况 在汽车企业生产制造过程中，汽车整车质量间隙面差的检测是汽车质量好坏的重要 衡量指标之一，因此