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70工具技术

三维坐标测量技术在汽车车身检测中的应用

郑俊邾继贵叶声华
天津大学

摘要：以汽车车身在线检测技术的三种检测手段为例，讨论了三坐标测量机、视觉检测系统和测量机器人的
三维坐标测量原理以及应用。
关键词：三维坐标测量，视觉检测，机器人，车身

Applicationof3DCoordinateMeasuringTechnologyinAutomobileOnlineMeasuring
ZhengJunZhuJiguiYeShenghua

Abstract：The3Dcoordinatemeasuringprincipleandapplicationof3Dcoordinate，visionexaminingsystemandmeasuring
robotarediscussedbytakingthreeexaminemeansofautomobileonlinemeasuringtechnologyasexamples.
Keywords：3Dcoordinatemeasuring，visionexamining，robot，bodywork

1引言
面对竞争日益激烈的汽车市场，汽车车身的生
存周期正在迅速缩短，汽车车身关键质量控制点的
在线检测技术越来越受到国内外汽车生产厂家的重
视。
相对而言，车身是一种比较特殊的汽车部件，作
为一种大型的柔性三维薄壁冲压焊装总成，其形状
复杂，制造时不仅需要保证关键质量控制点的三维
位置尺寸，还要求其功能尺寸的精确性。因此，采用
传统的定性检测手段，如检测样架，已经无法满足产
品更新速度和产品质量的要求，现已有逐渐被淘汰
的趋势。近年来国内外汽车行业出现并采用的检测
图车身坐标系示意图
手段主要有：三坐标测量机、经纬仪、激光跟踪仪、以1
及测量机器人、三维激光视觉检测系统等，其中三坐对于各种测量工具，无论是三坐标测量机、视觉
标测量机、测量机器人和三维激光视觉检测系统应检测系统还是测量机器人，也都存在其自身的坐标
用最为广泛，在国外已经成功应用于车身生产线上，系，称为机器坐标系。在该坐标系下，把车身定位于
下面就各自的测量原理以及在车身生产线中的应用机器工作空间内，对车身进行测量，则所有的数据都
情况分别加以探讨。是建立在该机器坐标系下的，如何解决将机器坐标
系下的数据转换为工件坐标系下的数据，就成为建
三维坐标测量原理
2立测量模式和数学模型的关键问题，即三维坐标数
汽车车身生产的工艺流程中，每一个车身覆盖据转换的问题。下面将就该问题对三坐标测量机、
件、分总成和车身总成，都有其自身的坐标系，即工视觉检测系统和测量机器人分别加以论述。
件坐标系，所有的测量数据都是建立在该工件坐标2.1三坐标测量机
系下。由于车身体积庞大且形状复杂，因而无法将三坐标测量机进行三维空间点的测量，其测量
针对刚性零件的测量方法复制到车身检测中，而三原理是将被测零件放入其允许的测量空间以获得被
维坐标测量技术具有测量直观、灵活、通用性强的特测几何型面上各个测点的三维坐标，根据这些点的
点，被广泛应用在包括车身在内的各种大型、异型零空间坐标值进行计算，可以求出被测零件的几何位
部件的检测工序中。图1为某车型车身坐标系示意置尺寸及相关功能尺寸。数学公式可以用齐次坐标
图，原点建立在前轴中点。变换描述如下
2004年第38卷21271

为三坐标测量机机器坐标系和工件坐标系之间的旋
xxp

yRTyp转矩阵和平移矩阵。
=()
z
0001zp利用三坐标测量机可以直接确定车身定位点在

11测量机坐标系下的坐标值，从而建立测量机坐标系

xxp与工件坐标系之间的空间坐标转换关系。根据每一

yy测点的测量值和上面的坐标变换公式即可以计算出
其中，p分别为被测点在测量机和车身坐标
z被测点相应的工件坐标。
zp

112.2激光视觉检测系统
系下的坐标值，R（3×3矩阵）和T（3×1矩阵）分别视觉检测系统是一大型检测系统，通常由几十

图2视觉检测系统坐标转换示意图
个视觉传感器组成，相当于一台大型的光学三坐标
xxi
测量机。每一个传感器通过内部标定和外部标
yyi
［］其中，分别为工件坐标系下的齐次坐标及
定4，可以确定摄像机内部和外部参数，从而确定视z
zi
场范围内的被测点在摄像机坐标系下的坐标值。
11
但是，要完成检测任务，获得被测点在工件坐标第i个摄像机坐标系下所采集到的被测点的齐次坐
系的坐标值，必须确定各个摄像机坐标系与工件坐标，P为两坐标系之间的齐次坐标变换矩阵，数学
Hi
标系之间的变换关系，称为视觉检测系统的全局标模型如下
定技术。它的实现可