三维激光检测技术在异型冲压件检测中的应用

黄华椿 黄 增 岑贤生 张丽丽 宾小林

（1.广西机电职业技术学院，南宁 530007；
2.广西云动能信息科技有限公司，南宁 530000；

3.广西泰瑞科技有限公司，柳州 545006）

汽车冲压件主要用于车身结构，具有生产批量大和尺寸精度要求高的特点[1]。在冲压过程中，异型冲压件受到拉伸载荷和压缩载荷的双重作用，普遍会出现结构变形和回弹现象。传统测量方法通过专用检具进行检测，然而当前常用的专用检具与零件是一对一使用，即一个零件需制作对应的专用检具。此外，专用检具因自身存在制造误差，难以对复杂异型冲压件的所有尺寸进行高精度检测。若冲压件尺寸出现较大偏差，将会导致后续装配困难，出现装配尺寸检验不合格问题，严重时甚至会导致零件报废[1]。冲压件主要依靠冲压模具成型，模具开发初期投入成本较高，因此检测精度会严重影响模具的开发成本。

三维激光扫描仪的出现解决了专用检具存在的一些固有缺陷的问题。三维激光扫描技术具有扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强以及可在复杂环境中测量等优点，克服了传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标零件三维数据并实现三维可视化的重要手段。国内外学者们对三维检测技术在工程上的应用与改良开展了很多研究[2]。例如：马玉琼等提出了一种针对薄壁类零件的三维数据测量方法，利用激光扫描设备先完成点云数据获取，再使用标志点辅助法对两面过渡区域进行拼接，最终实现了整体点云数据的收集和处理[3]；
闫玉蕾等以叶片为例进行复杂曲面的数据采集、点云处理和比对检测实验[4]；
郝华东等针对传统测量方法存在的准确度低、检测速度慢等问题，提出了一种基于结构光三维扫描技术的小尺寸轴类零件同轴度精密测量方法[5]；
漆中华等提出了一种适用于碳纤维薄壁件的三维激光逆向扫描快速测量技术[6]。

上述学者们的研究成果均表明了三维激光扫描检测技术在复杂薄壁零件检测中具有较高的工程应用价值。但是，汽车上使用的复杂异型冲压件存在曲面复杂和厚度较薄的特点，且具有金属的表面反光特性，按照以往的三维扫描仪采集点云数据时需对被测件表面进行亚光处理，易造成零件的二次破坏。此外，薄壁类零件需要过渡面才可以完成点云数据拼接。因此，文章提出了一种三维激光扫描成型检测方法，只需要一个精度足够的三维激光扫描仪和配套的点云数据采集软件，便可代替专用检具对异型冲压件进行点云数据的采集与重构成型，被测件表面无须进行亚光处理，且不受空间和环境影响，不受冲压件复杂结构的影响。

激光扫描仪是三维检测技术的核心部件之一，主要用于对异型冲压件进行点云数据采集，具有自定位配准、携带方便以及空间限制低等优点[7]。研究中，扫描仪的激光光源采用14条蓝色激光线，另有1条扫描深孔和额外5条扫描细节。研究提出的三维激光检测技术主要通过扫描仪的双目视觉测量原理和三角测距原理确定待测零件的位置并记录数据。为了验证三维激光检测方法检测复杂异型冲压件的可行性与准确性，以某汽车异型冲压件为例进行试验测试。

1.1 双目视觉测量原理

待测零件的空间坐标无论在哪个参照下都是唯一确定的。因此，在采集点云数据前须对摄像机进行标定，确定两个摄影机的空间相对位置，并使之在同一参考坐标系下处理图像。双目视觉测量的核心逻辑是通过两眼的视差来计算待测目标零件的三维信息，即仿照动物的眼睛通过不同角度的两幅二维图像获取待测零件的三维空间信息[8]。如图1所示，空间中有一点P在左摄像机上对应的点为P1，通过单个摄像机的标定可以得到左摄像机的内参和外参，但是并不能得到P点在摄像机坐标系下的空间位置Z，只知道P点在O1P直线上。同理，在右摄像机上也只能得到P点是在O2P直线上。至此，只需找到O1P和O2P这两条直线的相交点，便可求解出P点在摄像机坐标系下的空间位置Z。如果要求解该交点，需把这两条直线放到同一个参考系下。要获取左右两个摄像机参考系的空间位置，需在同一个参考系下处理图像是立体标定的工作[9]。

图1 双目视觉测量原理图

1.2 三角测距原理

三角测距法是基于三角形中的几何关系求解扫描中心到扫描目标的距离。三角测距示意图和几何关系图如图2和图3所示。激光发射器发射激光照射到目标表面，激光在目标处发生反射，一部分反射激光经棱镜并在光探测设备上成像。发射点、目标点和接收点构成一个三角形，即三角形ΔPAO∽ΔOCB。

图2 三角测距示意图

图2 三角测距中的几何关系图

三维激光检测技术利用激光扫描仪的双目视觉测量原理和三角测距原理，通过投影到表面的多对交叉蓝色激光线，完成复杂异型冲压件的表面点云数据的抓取。在获取点云数据后，配套软件实时生成三角网格面片，直接拼接成实物模型。此外，可以根据被测件的精度需要调节分辨率的大小，从而缩短点云自动匹配迭代运算的时间[10]。

1.3 冲压件检测前的处理

研究选取某一汽车异型冲压件作为试验对象。首先，零件表面要去除毛刺，去污除锈，清洗干净，确保零件表面干净[11]。其次，在冲压件正反表面均匀粘贴特征标志点，且要错开曲率大的表面和边界特征。贴好标志点的冲压件，如图3所示。最后，在被检零件放置平面粘贴标志点。这些标志点的采集主要是为了扫完正面后过渡到反面的坐标转换和平移，如图4所示。

图3 待测冲压件正反表面标志点粘贴图

图4 待检件放置平面周围粘贴标志点分布图

1.4 检测流程

三维激光检测的操作流程如下。

（1）采用厂家配套的标定板对扫描仪进行标定，标定完成后扫描零件，如图5所示。

图5 厂家配套的标定板实物图

（2）扫描采集完图6上所有的标志点并保存，确定各标志点的坐标位置，后续用于坐标系的轴向平移和旋转变换。

图6 扫描冲压件正反两表面所有标定点分布图

（3）完整扫描出正表面的点云数据，配套软件可根据表面点云数据实现自定位匹配，获取正表面完整的点云数据，如图7（正面）所示。

（4）从正面过渡到反面的数据采集。试验选取的冲压件料厚度约为1.2 mm。这种薄壁件类型的冲压件无中间过渡面，正反两面之间无法直接识别拼接。因此，需要借助配套系统的自定位功能，通过系统已保存第一步扫描的标志点位置信息实现面过渡，待转换成功后采集完整的反面点云数据，如图7（反面）所示。

图7 冲压件正反两面的点云数据采集结果图

（5）待测冲压件的正反两面点云数据采集完成后，经过三角网格面片重构表面结构，删除多余点云、降噪、补洞以及平滑处理后拟合形成实物模型，最终导出.stl格式文件备用[11]。

通过激光扫描仪采集完待测冲压件表面点云数据和通过三角网格拟合求得精确的数据模型后，把实物模型和设计模型分别导入Geomagic Control软件，经过最优拟合后对实物模型与设计模型进行对比，设定好基本偏差参数后，从3D色谱图中观察到各个实物模型各曲面与设计模型偏差情况，还可观察到是否有回弹现象。按待测冲压件的测量计划，可快速获取3D被测要素，最终得到待测冲压件各结构位置的偏差情况。

如图8所示，不同颜色分别代表了不同的尺寸偏差。其中：红色代表正偏差+0.5 mm，蓝色代表负偏差-0.5 mm；
以绿色为基准，越趋近纯红色/纯蓝色的颜色区域，表明其偏差越大，绿色和红色/蓝色之间的各色阶代表处于（0～0.5 mm）/（-0.5～0 mm） 的偏差范围。除了通过颜色直接观测偏差情况之外，还可进行关键位置的偏差值测量[12]。表1是图8各型面检测位置A001～A009的检测结果。

表1 检测各型面对应的偏差值分析表

试验共对该异型冲压件的38个面进行检测，3D检测结果偏差分布如图9所示。

图9 3D检测结果偏差分布图

通过柱状图可以清晰知晓，实体模型约50%的型面偏差均在±0.1 mm，除了0.394 2%超过+0.5 mm 公差范围，其他偏差均在公差±0.5 mm要求范围内。正差在色谱图中是红色显示，故其偏差位置是3D色谱图中深红色的部位。

为了进一步验证三维激光检测方法的准确性，对该待测冲压件的某一截面进行2D尺寸检测，并对其变形的截面进行检测。实测模型与设计模型某截面2D尺寸检测图，如图10所示。表2为检测该截面检测位置A001～A006的检测结果。

表2 某2D截面对应的偏差值分析表

图10 实测模型与设计模型某截面2D尺寸检测图（单位：mm）

为了验证三维激光检测方法在检测复杂异型冲压件上的可行性与准确性，以某汽车异型冲压件为例进行试验。试验结果显示：该方法用于复杂异型冲压件得到的测试结果与检具测试结果基本一致；
工作效率方面，该方法只需几分钟便可完成大型复杂零件的点云数据采集与重构成型，与专用检具相比，效率提高约30%；
检测精度方面，该方法检测得到的模型精度与实物偏差高达0.02 mm，是专用检具无法比拟的；
对于专用检具难以检测的复杂结构，三维激光检测方法可以直接通过色谱图精准观测模型偏差，判断该冲压件的回弹位置，检测2D、3D尺寸和形位公差的检测。研究表明，三维激光检测方法完全可以满足对复杂异型冲压件的检测要求，检测效果优于专用检具。后续将结合工业机器人开展将其应用于自动产线上的三维激光检测和在机床上实现加工实时在线三维激光检测等的相关研究。