汽车车身曲面激光自动测量技术研究

　　研究汽车车身曲面测量技术有助于缩短汽车车身产品的开发周期。目前用于车身曲面的测量仪器，仍以精度高，但价格贵、测速低的接触式三坐标机为主。事实上，对于具有大型和复杂流线型特点的车身曲面而言，追求的是宏观形状的整体协调，并非表面微观质量的级精度。因此，成本低、测速快、误差均匀，具有mm级测量精度性能的测量仪器可能更适合于这种场合。

　　二、自动测量原理所示为汽车车身曲面宏观形状自动测量系统原理简图。由此图可知，测量系统中的测头主要由激光器、光电子图像传感器、平面反射镜和相关的光学机械结构等组成；带着测头在z方向作随动的部分主要有伺服机构、步进电机及其驱动器、伺服控制器和数据采集器等构成；使测头作x、y方向扫描的部分有相应的扫描机构、步进电机及其驱动器等组成。此外，还有支承测头及伺服、扫描机构的框架、控制用微机、电源和被测汽车车身曲面等。

　　针对车身曲面宏观形状的特点，本文所提出的自动测量原理，其基本思想是让非接触的光电测头与被扫描测量的车身曲面始终保持一个恒定的z方向距离，这样测头的扫描轨迹即为被测车身曲面形状。

　　为了实现这种等距离测量目的，系统中采用了两束等波长激光，每束激光经准直系统（图中未画出）后将光点聚焦，并将它们分别与水平面成一个相同的角度而对称地反射到被测车身曲面上。当两束激光在被测车身曲面上形成的光点相重合并通过CCD传感器轴线时，CCD的中心像元将有光点成像的信号输出。非接触测头安装在一个能作z方向随动的伺服机构上，那么伺服机构控制器便会根据CCD传感器中心像元上是否有像信号输出，来控制伺服机构带动测量头作z方向的随动，以确保测头与车身曲面上被测点在z方向始终保持一个恒定的高度。而此时被测点的纵、横向位置，则由x、y方向的数控扫描装置给出。这便是非接触等距离自动测量技术的具体工作原理。

　　基金项目：河南省自然科学基金资助项目（974041100）；航空科学基金资助项目（98I55003）；河南省杰出青年科学基金资助项目（2000年度）测量、十算机网络及工业工程等教学与科研工作。

　　注：本文体现了上述情况（3）的两种状态：第一种状态是测头与车身曲面上被测部位的距离u'小于它们之间的期望距离u第二种状态是测头与车身曲面上被测部位的距离u"大于它们之间的期望距离u然而在实际测量过程中，当出现测头与被测部位间的距离偏离期望值u时，测量系统事先是不知道它究竟属于第一种状态还是处于第二种状态的，那么此时伺服机构又如何知道应该在z方向向上还是向下随动呢，为了能建立伺服机构在z方向随动的准则，这里首先分析测头与被测部位之间的距离趋近与远离期望值时，CCD传感器成像情况的变化规律。由可知，测头与被测部位之间的瞬时距离u'或u"与期望距离值u之间的趋近与远离又分别各有两种可能：就“趋近”而言，既可从u'向u靠拢，又可从u"向u靠拢；就“远离”而言，既可使u比u越来越小，又可使u比u越来越大。为使问题简化起见，无论是“趋近”还是“远离”，本文仅以其中一种可能来作分析，另一种可以用同样的分析思路得出结论。

　　当测头与被测部位之间的瞬时距离从期望距离值u变至u'时，由可知，CCD传感器上成像情况的变化是：从原先的一个目标光点O成一个像点0'变为两个目标光点A、R成有两个像点A'、B'；并且像点0'成在设定的中心像元上，而像点A'、B'则成在设定中心像元的两侧。同理，当测头与被测部位之间的瞬时距离从：变至u/时，由可知，CCD传感器上像点位置将从A、B'变至A'B、由此可见，当测头与被测部位之间的瞬时距离“远离”期望距离值时，CCD传感器上像点位置亦将远离所设定的中心像元。反之，可以推得，当测头与被测部位之间的瞬时距离“趋近”期望距离值时，CCD传感器上像点位置亦将趋近所设定的中心像元。

　　根据上述分析得出的有关结论，可以建立如下的z方向伺服随动准则：若CCD输出篇光点成象位置厉的中上则伺服机构必须带动测头作随动姑调整；先假定一个随动方向（如向上）若CCD输出信号表明其光点成像位置在向设定的中心像元靠拢，则说明假定的随动方向正确，伺服机构将继续沿该方向随动，直至光点成像位置与设定的中心像元重合为止，此时即可输出z坐标；若沿（2）中假定的方向随动，CCD输出信号表明其光点成像位置在远离设定的中心像元，则说明假定的随动方向有错，伺服机构应立即沿反方向随动，直至光点成像位置与设定的中心像元重合为止，此时即可输出z坐标；当无论向哪个方向随动，GCD均无光点成像的输出信号，则说明测量系统有不正常的情况，必须立即停止工作；当安全保护系统发出危险信号时，伺服机构应立即中断正常的随动测量过程。

　　三、测头x、y方向扫描测量规则测头的z坐标由伺服机构给出，而测头的x、y坐标，则由相应的数控扫描装置确定。本文给出x-z平面内沿x方向的测头扫描规则，至于j-z平面内沿y方向的测头扫描规则可同理推得。测头与被测部位之间的瞬时距离相对于所示为x-y方向的测头空间扫描原理简距离的变化所引起的像点位置的变化情况图。x方向有标准和减速两种扫描速度，它们主要受x-z平面内轮廓曲线的变化率所控制。对于x方向的每一步扫描，计算机都要比较曲面轮廓曲线上高度的二次差值A2z（x）与设定临界值Ef的大小，以便确定下一步的扫描是按标准速度进行还是按细分后的减速进行。其具体规则如下：测纛头设z，值对应x方向扫描到第i步标准步长xs后的曲面轮廓曲线高度值，zi的具体值由伺服机构给出并存入计算机；当x-z平面内轮廓曲线变化相当小并且△2z（x）的值小于根据被测目标所设定的临界值Ef，即：那么，被测点的坐标值保存在计算机里，并且下一步仍按标准步长与速度来扫描；则说明曲面轮廓曲线上有拐点存在，于是需作细分扫描处理。

　　信息按上述规则对被测车身曲面进行自动连续扫描，最终就可获取车身曲面形状的全部三维坐标数据四、测点坐标数据采集、传输和处理测点坐标数据采集、传输、处理和重建是车身曲面宏观形状自动测量系统的关键技术。

　　考虑到具体装置的兼容性和节省机箱内空间的目的，自动测量系统中采用单片机来实现测点坐标的数据采集与传输任务，并通过硬件卡插入微机总线插槽，使单片机取得的数据信息存入微机内存。选用单片机的优点在于：（1）它的CPU寄存器绝大多数为32位，有232累加器，内部32位总线，运行速度很快；（2）它有两个16位或更高位标准输入输出接口，还有一个10位四通道的模/数（A/D）转换器并带有采样保持器，可方便地构成数据采集系统；（3）它利用自身的高速输出口和标准接口实现数/模（D/A）转换；（4）它的芯片里有现成的可方便构成串行通讯协议的有关接口电路；（5）它担任数据采集工作后，能使微机的自身资源充分利用。

　　所示为单片机实现数据采集与传输的工作过程框图。当单片机接到微机从通信接口传来的执行命令后，开始执行采集任务。每个采集周期开始时，单片机通过相关的电路驱动有关的硬件，然后采集经过二值化处理的被放大的CCD传感器信号并存入自己的内存；接着检查安全指标，看是否将要超出预定的范围，若超出，则转出错处理；否则，判断存储区数据是否己满，如未满，进入下一个采集周期；如己满，则将向微机请求中断，通过通讯接口将数据传给微机；传送完成后，再重复上述工作，直至全部的采集工作完成为止。单片机采集数据时，微机利用这个时间对新收到的数据进行预处理（包括分析、计算等）。

　　由于测量过程的随机性，测量系统本身的局限性等因素，实测原始数据中不可避免地会存在一些不合理的因素，因此对实测数据进行合理化处理是完全应该和必要的。对车身曲面宏观形状自动测量问题的数据处理工作包括所示的几项内容。

　　五、结束语非接触自动测量技术，目前国内外尚处在研究探索的阶段，有许多实际问题有待完善和解决。本文在汽车车身曲面宏观形状自动测量技术方面作了一些基础性研究，以供交流与，期望能起到抛砖引玉的作用。