论文部分内容阅读
摘要：汽车天窗因为其功能和优势，正迅速扩大市场占有率。但是天窗安装过程中出现的问题也日渐凸显，例如漏气漏水，行驶过程中有噪音等，这些问题大部分是由于装配过程中的位置误差過大决定的，所以汽车天窗装配位置误差检测及校正设备的开发就显得尤为重要。本文讲述了汽车天窗装配位置误差检测及校正设备的简单构想，采用非接触测量技术，应用激光法扫描获取点云数据，通过曲线、曲面的数学建模，应用Geomagic和UG进行曲面重构，应用C++编写数据对比以及控制程序，通过控制器完成误差的校正。
Abstract： Because of its functions and advantages， automotive sunroofs are rapidly expanding their market share. However， the problems in the sunroof installation process are becoming more and more prominent， such as air leakage， noise during driving， etc. Most of these problems are determined by the excessive position error in the assembly process， so the vehicle sunroof assembly position error detection and correction The development of equipment is particularly important. This article describes a simple conception of the vehicle sunroof assembly position error detection and correction equipment， using non-contact measurement technology， using laser scanning to obtain point cloud data， through mathematical modeling of curves and surfaces， using Geomagic and UG for surface reconstruction， application C++ compiles data comparison and control programs， and completes the error correction through the controller.
关键词：汽车天窗;位置公差;非接触测量技术;曲面重构
Key words： car sunroof;position tolerance;non-contact measurement technology;surface reconstruction
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0125-02
0 引言
汽车天窗优点是传统车窗无法代替的，在增加了汽车天窗后，人们在驾驶时的舒适性增加的同时，也给汽车产业增加了相应的问题，也就是天窗安装过程中的误差以及误差带来的结果，不仅没有带来方便，反而带来了很多麻烦，漏水、噪声问题严重影响驾驶环境。为了避免种种烦恼，汽车天窗装配位置误差的检测及校正设备的开发就显得尤为重要。
1 汽车天窗的结构
常见电动天窗的结构主要由驱动机构、滑动机构、控制系统和开关等组成。其中，驱动机构主要有电机、传动机构、螺杆等组成。电机给天窗前后移动和转动提供动力，通过改变电流方向改变电机旋转方向，实现天窗的开闭。传动机构主要由涡轮蜗杆、驱动齿轮和中间传动齿轮组成，传动齿轮在驱动电机的作用下，改变其旋转方向，并减速增矩后传递给蜗轮蜗杆，实现天窗的运动;滑动机构主要有导向块、导向销、连杆、枕座以及玻璃托架组成，实现天窗的升起下落和前后移动;控制系统由定时器、蜂鸣器和继电器组成，其作用是接受开关信息，通过数字电路进行逻辑运算，确定继电器的动作，达到对天窗控制的目的;开关主要由控制开关和限位开关组成，控制开关包括天窗的前后滑动以及升起下落开关，线位开关主要是检测天窗所处位置。
2 汽车天窗装配位置检测技术
汽车天窗是集合光学、先进机械制造、电子技术于一体的高端科技产品，以其结构与控制较复杂为突出特点。一方面，天窗在关闭时要与车顶完全匹配，对密封性有特殊要求;另一方面，在打开时要实现外掀与内藏的精确控制。其中，汽车天窗的运动执行机构的运动都是在多约束条件下进行的平面运动。随着科技的告诉发展，原厂天窗已经成为一种潮流，也是提高汽车档次的重要指标。在汽车生产流水线上，当今汽车天窗的安装主要有人工进行现场安装和由机器控制的全自动安装。目前国内的天窗安装大部分都是采用人工的方式，这就对安装人员的要求非常高，也需要丰富的经验，检测方式为一对一人工检测，即通过传感器对天窗汽车天窗某些特定点进行定位检测，再定点修正。整个过程都需要人工操作，工作时间长，工作难度大，工作要求高，需要操作人员有较强的工作经验。所以，开发一款天窗装配位置误差的检测及校正的设备就显得尤为重要。 3 数据测量处理及曲面重构
3.1 点云数据的获取及处理 由于被测物体（被测物体指的是汽车顶部与天窗的相对位置，下文中出现的被测物体也都是此相对位置）的材料、表面质量等条件的影响，激光测距仪采集的数据会出现一定的误差，所以数据需要经过预处理，其中包括数据去噪、数据精简、数据修补等处理，处理后的数据才能为三维模型重构打下良好基础，否则会对曲面重构产生巨大影响。由于汽车天窗与车体连接部分的材料不同，硬度不同，而且需要采集的点数量较大，所以本文选择非接触式测量;由于激光位移传感器可以精确的测量被测物体的位置变化，对被测物的距离、厚度、位移等测量相对精确，故本文选择激光位移传感器。
3.2 点云数据的转换 激光测距仪一般都配有相应的软件系统，但是数据只能进行一次性存取，而且激光测距仪的控制器储存有限，所以不能进行大规模数据的采集。本文将激光测距仪采集回来的数据连接到数据采集箱，使激光测距仪采集的数据点可以通过数采系统在数采软件上显示。
激光测距仪采集的数据点集为二维点集，其中曲线的横坐标为时间T，纵坐标为在测量范围内Z方向的变化，由于时间轴无法显示实际测头走过的距离，所以就需要对时间轴进行处理。V为机床运动速度，由S=V×T便可知S为激光测距仪实际走过的距离，经过数据处理我们就可以得到横轴为激光测距仪运动轨迹，纵轴为Z方向上的变化量的数据点云。
3.3 曲面重构的过程 本文提出了一种Geomagic和UG相结合的逆向建模方案。曲面重构过程：首先UG中将激光测距仪采集的点云数据进行二维转换，通过专门的反求工程软件Geomagic Studio，将点云数据进行简单的预处理，再重新将点云数据导入到UG软件中进行坐标定位，完成曲线、曲面的重建，该方法在保证了还原曲面精度的同时也大大缩短了逆向建模所需的时间。
我们采用专业的逆向还原软件Geomagic Studio对大量的点云数据进行处理以及曲面还原等工作。在数据处理方面Geomagic Studio在点和多边形阶段可以完成数据对齐、数据去噪、数据格式转换、数据精简和点云数据三角形网格化、数据修补等任务，最终实现点云数据的高效处理，并可以使所处理的数据完整、有序。为了使所获取的零件或产品轮廓的几何特征线以及平滑、完整的三角面片网格导入UG进行模型反求，多边形阶段就需要进行缺失数据修补、修复相交三角形和截面特征线提取。另外，在Geomagic Studio中可以将一些模型精度要求不高的机械零件或者复杂、不规则曲面且曲面质量不要求的曲面通过对三角面片网格分片得到子网格曲面直接与NURBS曲面拟合，最后导入其他软件中进行后续处理。NURBS曲面的优点在于其不会对整条曲线和曲面造成影响的前提下，完成对特征曲线局部的单个数据点进行NURBS曲面片层的调整;缺点在于对机械零件配合面的精确度难以保证，这主要是由于自动拟合的曲面拓扑机构与被测零件曲面拓扑不一定完全一致造成的。将点云数据在Geomagic Studio中完成对数据点的预处理，其中包括点云数据的去噪、数据的精简、数据的修补等操作后，导入UG中进行NURBS曲面拟合。
4 基于Visual C++的误差测量及校正
运动控制卡是一种基于PC总线技术，以实现多个伺服电机或步进电机的多轴协调控制为目的的高性能电机运动控制卡，其主要手段是通过使用高性能的微处理器以及大规模可编程元件。运动控制卡通过改变脉冲的频率来控制电机的转速，通过改变脉冲数量来控制电机的转角，其基础是因为可以发出连续高频率的的脉冲串。
C++作为C语言的传承与进步，使C++在可以进行类似C语言的过程化程序设计的同时，也可以进行具有其特色的以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行传承和多态为特点的面对对象的程序设计。
人机交互界面作为人和计算机沟通的桥梁，拥有一个合适的、操作简单的、全面的操作界面是十分必要的。人机交互界面的作用主要体现在操作人员可以按照不同的思路完成相同的任务，这样避免了对操作人员思维的局限，也不需要进行技巧性的培训。本文应用人机交互界面的主要目的在于接收显示标准天窗与被检测天窗对比的图样，并且能够选择需要进行校正的位置，可以简单的计算出需要校正的误差的大小。
5 程序设计及实验验证
5.1 程序设计过程分析 装配误差主要体现在天窗的头部或尾部高出车顶或者头部或尾部低于车顶等问题。具体出现误差的位置也是不规律的，而且误差的大小也无法预测。要解决此类问题，就需要设计一款程序，其要求是能够接收到点云数据，顺利定位出误差出现的位置并且能够计算出误差大小，然后通过选择特定的位置对误差进行校正。在科学技术和先进制造技术极度发达的今天，实现这种功能的方式多种多样，本文选择了一种应用广泛、操作简单而且结构清晰的方法，即使用激光扫描仪作为数据采集装置，通过Geomagic和UG等软件作为辅助，再应用C++语言程序设计作为数据交换中心，用以达到收集数据、目标反求、误差计算与误差校正于一体的目的，实现汽车天窗装配位置误差的检测与校正。
5.2 程序设计流程 针对误差出现的方式以及可能出现的问题，首先本文选择使用激光扫描仪采集检测合格的天窗和车顶的点云数据，在Geomagic和UG的配合使用下，应用逆向工程思想及技术，反求出检测合格的汽车车顶与车窗之间的装配位置关系的三维曲面，用来作为标准数据库使用，可永久保存。其次收集安装好但未检测的车顶和天窗点云数据，同样使用Geomagic软件和UG反求出装配位置关系的三维曲面。然后与标准数据库做对比，通过车顶的二维曲面中车顶边缘位置以及天窗安装口的位置将两个模型拟合，定位出合格与非合格天窗的位置关系，然后去除重复数据，即车顶数据，剩下的数据既为所检测的天窗与标准天窗之间的相对位置关系，即装配误差。将装配误差通过PC机的显示器显示出来，然后选择相应的点进行校正，通过选择需要校正的点，经过程序中的运算传输到运动控制卡，控制电动螺丝刀的转动方向和旋转角，完成装配误差的校正。完成后再次进行点云数据的收集以及三维维曲面反求，重复之前的操作命令，直到误差在允许范围内为止。
在收集点云数据时，因为收集的点云数据不一定都是检测误差时所需要的，可能出现噪声点，而且不能保证每次收集点云数据的位置都相同的，所以需要重新定位来保证误差检测的准确性和有效性。如果采用点定位，那么可能会出现噪声点被检测为正确定位点，或者正确的定位点被当作噪声点去除。所以为了保证定位的准确性，那么就需要对车顶和天窗进行曲面反求重建，以保证检测出的误差值的有效性，也为后续装配误差校正提供了保障，增加了程序的可信度，也提高了误差校正的精确度。
參考文献：
[1]KEYENCE.感测器[J].影像系统及量测仪器，2003，4（8）：32-36.
[2]王霄，刘会霞，梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].化学工业出版社，2004：16-22.
[3]宋开臣，张国雄.激光三角法扫描测头特性的研究[J].中国机械工程，2000，4（11）：33-37
[4]刘书桂，陈超.基于改进遗传算法的三坐标测量机光学测头的标定[J].天津大学学报，2005，8（38）：44-48.
[5]卢刚.跟踪式激光三角法表面形状测头的研制[D].西安：西安大学，2004：53-54.
[6]周锋，邹宏儒，刘占兵，鞠鲁粤.逆向工程中点云数据的精简处理研究[J].机械工程师，2006（11）：84-85.
[7]出晓岚.集成于三坐标测量机的激光三角法测量系统[D].厦门：厦门大学，2009：58-63.
Abstract： Because of its functions and advantages， automotive sunroofs are rapidly expanding their market share. However， the problems in the sunroof installation process are becoming more and more prominent， such as air leakage， noise during driving， etc. Most of these problems are determined by the excessive position error in the assembly process， so the vehicle sunroof assembly position error detection and correction The development of equipment is particularly important. This article describes a simple conception of the vehicle sunroof assembly position error detection and correction equipment， using non-contact measurement technology， using laser scanning to obtain point cloud data， through mathematical modeling of curves and surfaces， using Geomagic and UG for surface reconstruction， application C++ compiles data comparison and control programs， and completes the error correction through the controller.
关键词：汽车天窗;位置公差;非接触测量技术;曲面重构
Key words： car sunroof;position tolerance;non-contact measurement technology;surface reconstruction
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0125-02
0 引言
汽车天窗优点是传统车窗无法代替的，在增加了汽车天窗后，人们在驾驶时的舒适性增加的同时，也给汽车产业增加了相应的问题，也就是天窗安装过程中的误差以及误差带来的结果，不仅没有带来方便，反而带来了很多麻烦，漏水、噪声问题严重影响驾驶环境。为了避免种种烦恼，汽车天窗装配位置误差的检测及校正设备的开发就显得尤为重要。
1 汽车天窗的结构
常见电动天窗的结构主要由驱动机构、滑动机构、控制系统和开关等组成。其中，驱动机构主要有电机、传动机构、螺杆等组成。电机给天窗前后移动和转动提供动力，通过改变电流方向改变电机旋转方向，实现天窗的开闭。传动机构主要由涡轮蜗杆、驱动齿轮和中间传动齿轮组成，传动齿轮在驱动电机的作用下，改变其旋转方向，并减速增矩后传递给蜗轮蜗杆，实现天窗的运动;滑动机构主要有导向块、导向销、连杆、枕座以及玻璃托架组成，实现天窗的升起下落和前后移动;控制系统由定时器、蜂鸣器和继电器组成，其作用是接受开关信息，通过数字电路进行逻辑运算，确定继电器的动作，达到对天窗控制的目的;开关主要由控制开关和限位开关组成，控制开关包括天窗的前后滑动以及升起下落开关，线位开关主要是检测天窗所处位置。
2 汽车天窗装配位置检测技术
汽车天窗是集合光学、先进机械制造、电子技术于一体的高端科技产品，以其结构与控制较复杂为突出特点。一方面，天窗在关闭时要与车顶完全匹配，对密封性有特殊要求;另一方面，在打开时要实现外掀与内藏的精确控制。其中，汽车天窗的运动执行机构的运动都是在多约束条件下进行的平面运动。随着科技的告诉发展，原厂天窗已经成为一种潮流，也是提高汽车档次的重要指标。在汽车生产流水线上，当今汽车天窗的安装主要有人工进行现场安装和由机器控制的全自动安装。目前国内的天窗安装大部分都是采用人工的方式，这就对安装人员的要求非常高，也需要丰富的经验，检测方式为一对一人工检测，即通过传感器对天窗汽车天窗某些特定点进行定位检测，再定点修正。整个过程都需要人工操作，工作时间长，工作难度大，工作要求高，需要操作人员有较强的工作经验。所以，开发一款天窗装配位置误差的检测及校正的设备就显得尤为重要。 3 数据测量处理及曲面重构
3.1 点云数据的获取及处理 由于被测物体（被测物体指的是汽车顶部与天窗的相对位置，下文中出现的被测物体也都是此相对位置）的材料、表面质量等条件的影响，激光测距仪采集的数据会出现一定的误差，所以数据需要经过预处理，其中包括数据去噪、数据精简、数据修补等处理，处理后的数据才能为三维模型重构打下良好基础，否则会对曲面重构产生巨大影响。由于汽车天窗与车体连接部分的材料不同，硬度不同，而且需要采集的点数量较大，所以本文选择非接触式测量;由于激光位移传感器可以精确的测量被测物体的位置变化，对被测物的距离、厚度、位移等测量相对精确，故本文选择激光位移传感器。
3.2 点云数据的转换 激光测距仪一般都配有相应的软件系统，但是数据只能进行一次性存取，而且激光测距仪的控制器储存有限，所以不能进行大规模数据的采集。本文将激光测距仪采集回来的数据连接到数据采集箱，使激光测距仪采集的数据点可以通过数采系统在数采软件上显示。
激光测距仪采集的数据点集为二维点集，其中曲线的横坐标为时间T，纵坐标为在测量范围内Z方向的变化，由于时间轴无法显示实际测头走过的距离，所以就需要对时间轴进行处理。V为机床运动速度，由S=V×T便可知S为激光测距仪实际走过的距离，经过数据处理我们就可以得到横轴为激光测距仪运动轨迹，纵轴为Z方向上的变化量的数据点云。
3.3 曲面重构的过程 本文提出了一种Geomagic和UG相结合的逆向建模方案。曲面重构过程：首先UG中将激光测距仪采集的点云数据进行二维转换，通过专门的反求工程软件Geomagic Studio，将点云数据进行简单的预处理，再重新将点云数据导入到UG软件中进行坐标定位，完成曲线、曲面的重建，该方法在保证了还原曲面精度的同时也大大缩短了逆向建模所需的时间。
我们采用专业的逆向还原软件Geomagic Studio对大量的点云数据进行处理以及曲面还原等工作。在数据处理方面Geomagic Studio在点和多边形阶段可以完成数据对齐、数据去噪、数据格式转换、数据精简和点云数据三角形网格化、数据修补等任务，最终实现点云数据的高效处理，并可以使所处理的数据完整、有序。为了使所获取的零件或产品轮廓的几何特征线以及平滑、完整的三角面片网格导入UG进行模型反求，多边形阶段就需要进行缺失数据修补、修复相交三角形和截面特征线提取。另外，在Geomagic Studio中可以将一些模型精度要求不高的机械零件或者复杂、不规则曲面且曲面质量不要求的曲面通过对三角面片网格分片得到子网格曲面直接与NURBS曲面拟合，最后导入其他软件中进行后续处理。NURBS曲面的优点在于其不会对整条曲线和曲面造成影响的前提下，完成对特征曲线局部的单个数据点进行NURBS曲面片层的调整;缺点在于对机械零件配合面的精确度难以保证，这主要是由于自动拟合的曲面拓扑机构与被测零件曲面拓扑不一定完全一致造成的。将点云数据在Geomagic Studio中完成对数据点的预处理，其中包括点云数据的去噪、数据的精简、数据的修补等操作后，导入UG中进行NURBS曲面拟合。
4 基于Visual C++的误差测量及校正
运动控制卡是一种基于PC总线技术，以实现多个伺服电机或步进电机的多轴协调控制为目的的高性能电机运动控制卡，其主要手段是通过使用高性能的微处理器以及大规模可编程元件。运动控制卡通过改变脉冲的频率来控制电机的转速，通过改变脉冲数量来控制电机的转角，其基础是因为可以发出连续高频率的的脉冲串。
C++作为C语言的传承与进步，使C++在可以进行类似C语言的过程化程序设计的同时，也可以进行具有其特色的以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行传承和多态为特点的面对对象的程序设计。
人机交互界面作为人和计算机沟通的桥梁，拥有一个合适的、操作简单的、全面的操作界面是十分必要的。人机交互界面的作用主要体现在操作人员可以按照不同的思路完成相同的任务，这样避免了对操作人员思维的局限，也不需要进行技巧性的培训。本文应用人机交互界面的主要目的在于接收显示标准天窗与被检测天窗对比的图样，并且能够选择需要进行校正的位置，可以简单的计算出需要校正的误差的大小。
5 程序设计及实验验证
5.1 程序设计过程分析 装配误差主要体现在天窗的头部或尾部高出车顶或者头部或尾部低于车顶等问题。具体出现误差的位置也是不规律的，而且误差的大小也无法预测。要解决此类问题，就需要设计一款程序，其要求是能够接收到点云数据，顺利定位出误差出现的位置并且能够计算出误差大小，然后通过选择特定的位置对误差进行校正。在科学技术和先进制造技术极度发达的今天，实现这种功能的方式多种多样，本文选择了一种应用广泛、操作简单而且结构清晰的方法，即使用激光扫描仪作为数据采集装置，通过Geomagic和UG等软件作为辅助，再应用C++语言程序设计作为数据交换中心，用以达到收集数据、目标反求、误差计算与误差校正于一体的目的，实现汽车天窗装配位置误差的检测与校正。
5.2 程序设计流程 针对误差出现的方式以及可能出现的问题，首先本文选择使用激光扫描仪采集检测合格的天窗和车顶的点云数据，在Geomagic和UG的配合使用下，应用逆向工程思想及技术，反求出检测合格的汽车车顶与车窗之间的装配位置关系的三维曲面，用来作为标准数据库使用，可永久保存。其次收集安装好但未检测的车顶和天窗点云数据，同样使用Geomagic软件和UG反求出装配位置关系的三维曲面。然后与标准数据库做对比，通过车顶的二维曲面中车顶边缘位置以及天窗安装口的位置将两个模型拟合，定位出合格与非合格天窗的位置关系，然后去除重复数据，即车顶数据，剩下的数据既为所检测的天窗与标准天窗之间的相对位置关系，即装配误差。将装配误差通过PC机的显示器显示出来，然后选择相应的点进行校正，通过选择需要校正的点，经过程序中的运算传输到运动控制卡，控制电动螺丝刀的转动方向和旋转角，完成装配误差的校正。完成后再次进行点云数据的收集以及三维维曲面反求，重复之前的操作命令，直到误差在允许范围内为止。
在收集点云数据时，因为收集的点云数据不一定都是检测误差时所需要的，可能出现噪声点，而且不能保证每次收集点云数据的位置都相同的，所以需要重新定位来保证误差检测的准确性和有效性。如果采用点定位，那么可能会出现噪声点被检测为正确定位点，或者正确的定位点被当作噪声点去除。所以为了保证定位的准确性，那么就需要对车顶和天窗进行曲面反求重建，以保证检测出的误差值的有效性，也为后续装配误差校正提供了保障，增加了程序的可信度，也提高了误差校正的精确度。
參考文献：
[1]KEYENCE.感测器[J].影像系统及量测仪器，2003，4（8）：32-36.
[2]王霄，刘会霞，梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].化学工业出版社，2004：16-22.
[3]宋开臣，张国雄.激光三角法扫描测头特性的研究[J].中国机械工程，2000，4（11）：33-37
[4]刘书桂，陈超.基于改进遗传算法的三坐标测量机光学测头的标定[J].天津大学学报，2005，8（38）：44-48.
[5]卢刚.跟踪式激光三角法表面形状测头的研制[D].西安：西安大学，2004：53-54.
[6]周锋，邹宏儒，刘占兵，鞠鲁粤.逆向工程中点云数据的精简处理研究[J].机械工程师，2006（11）：84-85.
[7]出晓岚.集成于三坐标测量机的激光三角法测量系统[D].厦门：厦门大学，2009：58-63.