非接触光学测量技术在车身实验教学中的应用

摘  要：实验教学是汽车车身专业本科生教学的重要组成部分，非接触光学测量是测量领域的先进技术。论文整体性介绍吉林大学车身实验室的教学现状以及非接触光学测量技术在实验课程中的使用情况。以“白车身逆向建模及主断面测绘”和“汽车顶棚拉手拉伸实验”为具体实例，详细阐述三维光学扫描系统和三维非接触应变测量系统在本科生实验教学中的应用，实验教学达到预期目的，取得良好的教学效果。

关键词：非接触光学测量;汽车车身;实验教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）22-0084-05

Abstract： Experimental teaching is an important part of undergraduate teaching of Auto Body specialty， and non-contact optical measurement is advanced technology in the field of measurement. The current situation of Auto Body experimental teaching in Jilin University Auto Body Laboratory and the use of non-contact optical measurement in experimental course are introduced in this paper. Taking "Body in White Reverse Modeling and Main Section Survey and Draw " and "Tensile Test of Automobile Roof Handle " as specific examples， the application of three-dimensional optical scanning system and three-dimensional non-contact strain measurement system in the experimental teaching of Auto Body specialty undergraduate are expounded. The experimental teaching has achieved the expected purpose and good teaching effect.

Keywords： non-contact optical measurement; auto body; experiment teaching

汽车车身实验是进行车辆开发、结构设计、性能验证的必要手段，实验对象包括整车结构和车身零部件[1-4]。汽车车身实验教学是加深学生理论知识、锻炼动手能力，增强综合分析和解决问题能力的重要环节，是新工科背景下高等院校培养卓越工程师人才的重要支撑。

吉林大学汽车工程学院尤其注重对车身专业本科生实验和实践教学的建设，从2013版到2020版本科生培养方案，实验、实践教学所占学分和比重逐渐增大。近年来随着汽车技术的迅速发展以及先进设备的使用，汽车实验方法不断更新。车身实验室将非接触测量技术引入到实验教学中，使实验课程内容与行业发展接轨，让学生能够了解掌握先进技术，为日后参加工作打下坚实基础。

一、非接触光学测量技术简介

非接触测量是指测量器具的传感器与被测物体的表面不直接接触的测量方法[5]。非接触光学测量将光电技术、机械测量、计算机技术相结合，利用光学测量头记录被测物体的外形尺寸、坐标位移、变形应变等数据。根据测量原理的不同，非接触光学测量方法分类如图1所示[6]。由于其测量精度高速度快、不需要与被测物体接触等优点，非接触光学测量已经成为现代测量领域的重点，在机械制造、航空航天、土木建筑等领域应用广泛。

二、汽车车身实验教学简介

吉林大学汽车工程学院车身实验室成立于1988年，实验室建筑面积约2 000 m2，拥有实验仪器设备约200台套，总价值约8 000万元。通过几十年的经验累积与不断改进，车身实验室已经建立了完整的汽车车身专业本科生实验教学体系，开设了18门实验课程，共计68个实验项目，226个实验学时，每年完成约400名本科生近1 000学时的实验实践教学任务，成为培养优秀汽车工程人才的重要支撑。

目前车身实验室拥有的非接触测量设备包括三维光学扫描系统以及非接触应变测量系统（高速、低速各一套）。三维光学扫描系统（ATOS II，如图2所示）由德国GOM公司生产，其基于光栅投影技术，利用两个CCD相机可以在极短的时间内获得复杂工件表面的完整点云[7]，具有测量效率高、范围大、操作简单等优点，在车身行业主要用于汽车车身零部件的逆向工程。三维光学扫描系统是车身实验室的重要设备之一，从2013年至今的八年时间利用该设备实施的本科生实验课程包括车身构造、车身CAD、汽车造型、车身设计、毕业设计以及开放创新实验等，累计教学近1 000人次，实验内容和方法在国内高等院校汽车车身专业处于领先地位。

车身实验室2018年购入的美国CSI公司生产的非接触应变测量系统（VIC，如图3所示）由高分辨率的图像采集系统、计算机和采集分析软件组成，基于数字图像相关（Digital Image Correlation，简称DIC）技术，能够计算出2D、3D全场形状、位移及应变数据[8-10]。在车身行业主要用于材料拉伸、压溃、破坏的位移和应变测量、车身零部件的振动测试等。由于设备昂贵、专业性强、操作难度较大，目前国内应用非接触应变测量系统进行本科生实验教学的院校非常少，车身实验室已经进行了3年的非接触应变测量系统实验教学探索，累计教学约200人次，涉及的本科生实验课程包括车身实验学、汽车碰撞安全性、开放创新实验等，实验内容和方法在行业内具有一定的先进性。

三、非接触光学测量技术实验教学实例

（一）白车身逆向建模及主断面测绘

白车身是整车的重要组成部分，主要包括车身结构件和结构加强件，是整车性能配置的依托基础[11]。车身主断面指能够反映车身主要结构关系并且能够支持和控制车身后续结构设计的主要断面[12]。主断面的设计是车身设计中的重要环节，贯穿整个车身开发过程。作为汽车车身专业的本科生，了解认识白车身结构，测绘设计主断面是必须掌握的重要技能。

传统的车身主断面测绘实验教学，主要以学生拆解白车身、观察主断面形状、用工具测量断面尺寸并手绘为主，往往出现断面形状绘制不准确，尺寸测量不精确，实验效率低等问题。白车身逆向建模及主断面测绘实验使用ATOS II三维光学扫描仪对白车身结构进行扫描逆向，获取车身的三维结构模型，再在软件中进行分析获得车身断面2D图，能够提高测绘精度和效率，改善实验教学质量。

白车身逆向建模及主断面测绘实验是应用三维光学扫描系统的典型代表，具体实验过程如下：

1. 白车身拆解：由于白车身尺寸较大，实验前学生需要对白车身结构进行拆解，拆解原则为最大限度地减少拆解后零件的变形，拆解顺序依次为白车身内板、中间加强板、白车身外板，对于在中间加强板上的支架类总成件，均归类到加强板上。

2. 粘贴标记点：学生对白车身结构表面喷涂着色剂，将光滑、反光的表面磨砂化，方便后续进行光栅扫描，并在车身结构表面粘贴三维光学扫描仪能够识别的标记点。以白车身门槛梁为例，拆解并粘贴完标记点的门槛梁如图4所示。

3. 扫描逆向：学生动手操作三维光学扫描仪对实验对象进行扫描，基于整车坐标系将白车身上的离散标记点扫描入计算机（如图5所示），在ARAMIS软件中生成点云数据，进行点云优化，特征修复等，并以stl格式输出文件，某组学生建立的门槛梁点云如图6所示。将stl文件导入CATIA软件中，应用QSR模块和DSE模块对点云数据进行处理生成三维逆向模型。

4. 断面测绘：利用CATIA软件的GSD模块提取白车身的断面线，完成主断面的测绘。某组学生绘制的门槛梁主断面如图7所示。

白车身逆向建模及主断面测绘实验是应用非接触测量技术的代表性实验课，目前已经开设8个学期，参加实验学生约150人，累计实验学时300学时，学生拆解并扫描测量了6款不同车型的地板纵梁、门槛梁、B柱、侧围等白车身结构。通过该实验，可以使学生掌握非接触光学扫描系统的操作方法和逆向建模的基本方法，了解汽车车身结构、掌握车身主要断面形状，锻炼学生的动手操作能力和综合分析能力。

（二）汽车顶棚拉手拉伸实验

非接触应变测量系统采用优化的数字图像相关性算法，属于先进的测量设备，在行业内处于领先地位。为了使学生能够了解并掌握一定的行业先进技术，车身实验室将非接触应变测量系统与车身专业特点相结合，开设了汽车顶棚拉手拉伸实验课程。

具体实验过程如下：

1. 实验台搭建：针对不同的实验内容需要搭建由VIC系统和其他试验机组成的测量实验台。车身实验室拥有高速/低速，单目/双目共四种组合形式的非接触应变测量系统。实验过程中学生应选择合适的实验设备搭建实验台，汽车顶棚拉手拉伸实验要求拉伸速度为100 mm/min，测量x、y、z三方向的变形量以及整体变形量，因此选择低速、双目测量头，加载设备选择微机控制电子万能试验机。学生通过硬件线路连接，将VIC低速、双目系统的主机、测量头、三脚架、灯源等组件连接好。

2. 粘贴标记点：实验过程中需要测量汽车顶棚拉手的变形量，因此在汽车顶棚拉手支架部位粘贴VIC系统能够识别的标记点，具体粘贴位置如图8所示。

3. 相机调试与标定：非接触应变测量系统属于精密光学测量设备，每次使用前需对其进行相机和光源调试、标定，以保证测量精度。学生需要调整相机曝光时间、焦距、光圈等参数，使图像能在显示器上清晰呈现。选择与汽车顶棚拉手大小相匹配的标定板，不断调整标定板角度并采集校正图像，在VIC-3D软件中计算校正图像分值，小于0.04表示满足精度要求，标定过程如图9所示。

4. 汽车顶棚拉手拉伸：设置万能试验机和VIC系统输出频率均为5 Hz，通过同步触发系统控制VIC系统开始采集图像，万能试验机以100 mm/min的速度开始拉伸直到力达到1 000 N，某组学生的实验过程如图10所示。

5. 实验数据处理：拉伸结束后学生在VIC-3D软件中导入实验图像并计算标记点x、y、z三方向的变形数据，将得到的标记点整体变形量与拉伸机输出的力数据进行整合，得到被测点的变形量-力曲线，如图11所示。

汽车顶棚拉手拉伸实验属于新开设的综合性比较强的实验，要求学生不仅能够使用先进设备、能够根据实验内容搭建实验台，还需要在实验过程中对出现的问题进行分析并解决。学生通过该实验可以基本掌握非接触应变测量系统和电子万能试验机的操作方法，对DIC技术有一定的了解，加强学生的动手操作能力和分析解决问题能力。已经开设了三个学期的汽车顶棚拉手拉伸实验，得到了学生的良好评价，积累了宝贵的教学经验，非接触应变测量系统的实验教学还有进一步提升的空间：

（1）增加不同角度和速度的实验工况，扩展汽车顶棚拉手拉伸实验的实验内容。

（2）将非接触应变测量系统应用到车身振动的实验教学中，更新原有教学内容和方法。

（3）增加DIC原理方面的探索性实验，提升教学深度。

四、结束语

汽车车身实验教学在车身专业本科生教学中占有重要地位，作为吉林大学汽车工程学院的特色专业，汽车车身专业开设了基于非接触光学测量技术的实验课程，旨在将实验教学与汽车行业先进技术接轨，以实际教学案例详细阐述了三维光学扫描系统和非接触应变测量系统在车身实验教学中的使用，所设实验课程的内容和方法在国内高校实验教学领域处于领先地位，达到了增强学生使用先进设备、锻炼学生动手操作和分析解决问题能力的教学目的，取得了良好的教学效果，为培养优秀汽车车身专业人才奠定了基础。

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