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汽车设计中三维数字化测量

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《北京工业职业技术学院学报》2016年第3期

摘要:

三维数字化扫描检测技术已经广泛应用于航空航天、汽车、模具、制造业、雕塑、文物保护等多个行业,对于大型复杂物体,快速准确获取物体的三维信息是一个非常重要的研究领域。为解决大物体测量存在误差大、速度慢的问题,以现代索纳塔汽车为载体,采用德国Carl-Zeiss公司的PHOTOGRAMMETRY照相法系统和COMET三维扫描仪的方法,研究出整体精度控制方法。

关键词:

逆向工程;点云;参考点;大物体测量

0引言

随着人们生活水平的日益提高,汽车已经以必需品的角色走进了寻常百姓家,人们在追求汽车性能的同时更多的关注汽车的外形设计。汽车工业面临着巨大的挑战,从几年设计一款车型到现在每年推出多款车型来满足大众日益多样化的市场需求,以求更快的占领市场。一款车型的投产是需要多环节以及大量的资金来支撑,以车身的设计来说,三维数字化测量技术的应用可大大缩短新车型的开发周期,在竞争激烈的市场上抢占先机。

1三维数字化测量技术概述

逆向工程也称反求工程,它是在已有的产品模型或实物模型基础上,通过三维数字化测量系统得到数据,从而建立起数字模型,然后将这些模型或者部分表征用于产品的分析、设计、制造以及加工生产的过程[1]。三维数字化测量技术是逆向工程技术的首要环节,也是关键环节,被测物体的数据是否能够准确、完整的获取,直接影响到后续重构数学模型以及产品二次开发等环节的质量。常用的三维数字化测量系统主要分为接触式以及非接触式测量2种。接触式的点测量设备主要有三坐标、划线机、关节臂点接触扫描仪等,精度最高,为μm级,但是耗时过长,对于物体不能实现完全特征扫描。非接触式扫描仪多为光学扫描仪,市场上主要有加拿大形创激光扫描仪、德国Stein-bichler、GOM、博尔克曼公司的结构光扫描仪,国内的有天远三维等。当前市面上最多的为非接触式光学扫描仪,质量良莠不齐,国内的设备多为131万像素,从精度上来说德国的设备在国际上属于顶尖水平,目前最高端设备已达到1600万像素。

2汽车车身数据采集

2.1三维数字化测量设备方案制定

考虑到汽车车身整体尺寸大,汽车车身为中心平面对称,各曲面为A级曲面,同时需要整合进入车身原始坐标系,对扫描精度要求极高,故采用龙门式三坐标、德国Steinbichler公司照相法PHOTOGRAMME-TRY、COMETL3D蓝光三维扫描设备以及COMETplus软件相结合的方式,采取分区域数据采集,最终通过GEOMAGICSTUDIO软件处理车身整体曲面数据。PHOTOGRAMMETRY照相法(如图1所示)是利用专业数码相机对被测物体从不同角度拍摄图片,根据三角测量原理来计算参考点的空间三维坐标,该系统主要应用于中型、大型(几米甚至几十米)工件,使用照相法进行测量,可轻易获取被测物所有的三维参考点数据(将数码相机作为数据采集器,对编码点与标记点进行空间三角测量)。通过照相法获得的参考点空间三维坐标数据,可直接使用测量被测物体的尺寸等相关信息数据,也可为光学三维扫描系统提供精确的参考坐标,使其可将任意单幅测量数据逐一、准确地拼接与吻合起来[2]。并可通过COMETPLUS软件将由三坐标测得车身原始框架关键点坐标与照相法测得框架坐标系整合进原始坐标系,使坐标系得到精确控制。COMETL3D2M蓝光三维扫描设备(如图2所示)由光学投影模块(蓝光)、数据采集模块(CCD摄像机)组成,采用光学三角原理的相位测量法,是将一系列不同密度的黑白相间的光栅投影到被测物体表面,形成一块待测区域,通过光栅线发生的畸变以及光学三角原理获得物体表面的三维数字化信息[3]。该款设备采用创新的蓝色LED照明技术和先进的单目技术,精度更高,数据采集更快(单次少于1.5s),并配有多组镜头满足不同特征的需要,最为关键的是设计为重量轻的便携式设备,使用操作极为方便。

2.2准备工作

测量过程中不可避免的存在随机误差,为了保证精度尽量选择环境温度、光线稳定的室内空间,并保证在长时间的测量过程中温度、光线不要变化,采用蓝光扫描仪,可以减少由于光线变化引起的误差,保证空间足够大,摄影测量系统要求照相机距离被测表面至少2~3m,而且测量大物体时COMETL3D需要固定于大的立柱支架上,便于升降以及移动,有助于提高扫描的速度以及稳定性。故需考虑立柱支架的体积以及伸缩臂的长度。如图3所示,汽车表面反光需要均匀的薄薄的喷涂一层显像剂,从侧面看不反光即可。大部分三维扫描设备对深颜色的物体不识别,特别是黑色,此款扫描仪可通过调整曝光以识别深色并可不需要参考点直接通过曲率拼接,但由于此案例为与照相法相配合大物体测量,需要进行标记点拼接。本案例选择了3种三维数字化测量设备相结合的方法,故需要准备3种不同类型的参考点:一种是龙门式三坐标测量坐标值的带中心点的标记点A;一种是与照相法相配合的编码点B,每个编码点都有唯一的编号;还有一种就是与CometL3D配合的直径6mm的普通参考点C。粘贴参考点规则:一般情况下A类的标记点整车贴个20个左右;B类的编码点,要保证1个点至少出现在5张不同角度的照片中;C类保证单幅测量范围4至5个点,尽可能不在一条直线上。

2.3车身三维数字化测量

当所有的准备工作完成以后,开始进行数据的采集。首先将十字标尺和比例尺放正,通过照相法从不同角度对被测物拍摄图片,进行车身框架坐标系的采集。一字标尺共4个编码点,距离较远不易同时识别,可以采取远距离拍摄同时取到4个点;十字标尺材料为碳纤维材料,可定义照相法获取数据的XYZ3个坐标方向,对十字标尺进行拍摄识别时,最少4张图片参与标定过程;保证其余每个编码点至少被5张图片拍到。在整体坐标系统采集的时候,必须保证标尺完全被采集上,标尺决定了全局坐标系统的精度。最后将这些图片导入COMETplus软件中,由三角测量原理,软件自动将这些图片进行运算,即可得到车身整体的全局三维坐标系统,如图4所示。照相法参考点三维坐标数据计算结果中,如图5所示,可以将少于5张照片识别的参考点(如图5右侧框内)删除,也可以将参考点中识别误差较大的参考点(如图5左侧竖框)删除,并重新绑定计算结果,以提高测量精度,更好的控制整体车身误差。之后,通过三坐标划线机将带中心孔的各参考点的坐标值求出,代入到全局坐标系统,找正全局坐标系统对齐到车身原始坐标系统,使坐标系保持一致,坐标对齐更精准。全局定位完成之后不要立刻拆下编码点,先用COMETL3D扫描设备进行试验,无问题后可将编码点以及标尺移除,分区域进行扫描,数据获取过程如图6所示。由于车身为对称式,故只需要扫描一半即可。数据采集的过程中,曲率平缓处,例如四门、两盖可以利用框架点拼接,曲率较大并有特征处可以使用自由拼接,也可使用手动拼接,即使扫描区域参考点数量不足,也无需增加参考点,直接使用COMETplus软件的特征拼接功能即可实现拼合,提高扫描效率。在扫描过程中,可使用拼合误差彩图功能随时查看扫描拼合误差,及时发现扫描过程中存在的问题,避免重复工作,提高扫描数据整体质量及扫描效率。扫描长物体的时候,一般从两边向中间扫描,如果从一边扫到另一边会积累误差较大,使整体误差变得更大。当数据采集完成后,COMETplus在数据拼接上,提供了最终全局优化拼接,使车身整体点云数据拼接达到全局最优。综上所述,整车三维数字化测量流程如图7所示。

2.4GEOMAGIC点云数据处理

本次采用GeomagicStudio2012软件对采集的点云数据进行降噪处理以及数据的精简、数据修复等工作,这个处理环节直接影响曲面重构的精度。点云数据中存在着一些偏离原曲面的坏点,我们通常叫做噪点,这是不可避免的。要对这些测量数据进行降噪处理,但为保证精度,不宜做过多处理,特别是删除体外孤点不可多次使用,会使数据产生轻微变形[4]。如果点云数据量过大则可通过曲率方式进行采样,便于后期的建模,处理后的整车数字化模型如图8所示。提供信息化技能培训,提高其对网络的应用能力。与此同时进行网络信息安全教育[5],提高用户的网络安全意识和网络安全管理水平,使其能够意识到信息时代网络安全的重要性,自觉遵守网络安全相关法律法规,自觉抵制网络不良信息,不发表反动言论,做到文明上网、科学用网。

3结论

建设一个人人使用、人人满意的数字化校园,是学校每一位信息化建设工作者不懈的追求。这不仅需要学校层面的顶层设计,技术人员的精心运维,更加需要每一位校园网络用户共同的努力。希望通过大家共同的努力,建成一个网络稳定、性能优良、信息安全的数字化校园。

参考文献:

[1]游佳易宇峰.校园网络管理难点及对策研究[J].西南科技大学学报,2008(10):95-98.

[2]杨梅,甘露,张林涛.校园网络管理和信息安全保障实践探讨[J].玉林师范学院学报,2013(01):112-116.

[3]李苗利.高校校园网络文化建设与管理存在的主要问题及对策[J].科技信息,2014(3):115-116.

[4]刘定一.数字化校园安全管理研究[J].网络安全技术与应用,2014(2):67-68.

[5]孙茂圣.校园网建设与管理中几对矛盾关系的分析[J].扬州大学学报,2003(6):72-74.

作者:杨晓雪 单位:北京工业职业技术学院机电工程学院

北京工业职业技术学院学报责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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