三维激光扫描仪应用于汽车座椅的逆向设计和制造

通过把基于模板的汽车座位检查系统替换为电子三维激光扫描方法，Johnson Controls节省了6万美元的模板成本，并把PT Cruiser设计的验证时间从4个月缩短为三周。

如果要测试车辆的所有可能的座位配置，那就要构建24组模板，得花费3个月的时间。测试DaimlerChrysler所要的360个座位，又花3个星期时间。如果品质部选择用NVision激光扫描仪来捕获座位的轮廓，取而代之的的是构建模板所需要的成本和3个月的延迟就可以免了，扫描仪捕获所有360个座位的3D坐标数据只花了3个星期时间。

“采用NVision三维激光扫描仪的主要好处是节省时间，因为我们要完成测试才能开始生产，” Johnson Controls公司位于Toluca从事舒适坐椅运营的部门品质经理Rosa Leyva说，“但是，三维扫描仪也给出了更为精确的信息，我们利用它来建立制造公差。”

Johnson Controls公司自从1985年成立至今，已经成为了年产值几十亿美元的公司，拥有汽车系统和建筑控制的全球业务。在汽车市场，公司提供座位和轻型车车内系统，包括乘用车和轻型卡车。所供应的系统包括：座位、头顶装置、车门、仪表盘、储藏箱、电子系统和电池。除了电池之外，所有系统都销往原始设备汽车市场，包括：DaimlerChrysler、Ford、General Motors、Honda、Nissan、Toyota和Volkswagen。 位于密歇根州的Johnson Controls的普利茅斯汽车运营部门每年为2000多万辆车提供车内产品。

为PPAP进行测试

Johnson Control公司的Comfortseat工厂被授予合同，为DaimlerChrysler公司畅销的PT Cruiser型车设计和制造坐椅。该车在DaimlerChrysler同样位于Mexican城的工厂装配。PT Cruiser有四个座位：驾驶员座位、前乘客座位和两个备选后座。这四个座位中的每一个都有三种结构，总共有12种独特的座位型号。Johnson应邀按照零件生产批准工艺(part production approval process, PPAP)来测试每一种座位型号的30个拷贝，或总共360个拷贝。

过去，他们的做法是把每一个座位与一系列轮廓相同的塑料模板比较。每一个座位需要两组模板，一组座垫和一组座背。模板要安排在检查支架上，以格型排列来表示座椅的关键轮廓线。如果一个座椅紧挨着模板的格框放置，就要排列整齐以达到OEM需要的公差之内。在PT Cruiser的情形下，公差是±12mm。对于该车来说，总共需要24组模板以测试12个不同座椅型号中的每一个。每一组的成本大约是2,500美元，总成本大约为6万美元。

除了成本之外，该方法的另外一个缺点是测试时间长。制做模板大约要花费3个月时间，测试360个座椅要再花3周时间，这就延迟了PPAP批准的日期。

为了降低座椅测试的成本并把座椅尽快投入生产，工厂管理人员研究了其它几种检查技术，其中包括用来捕获形状的三维激光或白光三维扫描技术。白光系统对于工厂环境不够稳定，可是，还需要高技能的操作员，白光三维扫描仪价格也昂贵。小型和廉价的三维激光扫描系统也被排除在外，因为它们在扫描暗物体时所产生的激光功率不够大，在工厂环境中也不够耐用。

满足Johnson Control公司要求的唯一系统就是NVision三维激光扫描仪。NVision三维激光扫描系统的主要组件是3D激光传感器、一个安装传感器的机械臂或定位传感装置、一台PC以及提取、显示和处理数据的软件包。扫描仪的传感器是一个单视点激光条纹传感器，其中集成了照明和捕获3D数据的传感手段。

激光条纹传感器比简单的激光点传感器的扫描速度要快得多。工作过程中，它们把一束激光线投射到物体表面，与此同时，小型CCD摄像机记录这些扫过表面的光线。专用接口卡把光线的视频图像转换为400个3D坐标，容许的每秒最大数据捕获率为1万点。得到的结果是密集的3D数据云团，它精确地描述了物体的表面。NVision激光扫描仪可以被配置为采用若干商用定位传感机械装置。

Comfortseat工厂在PT Cruiser车型的座椅检查设备中，首次采用了NVision三维激光扫描仪。在新的检查工艺中，第一步是锁住座椅背或跟以前一样往检查支架中加衬垫。经过两星期培训的技术员操作扫描仪，然后，手持激光传感器以便把激光射线投射到座椅上。当他把传感器在座椅表面移动的时候，坐标数据被提取并实时显示在PC的屏幕上。该过程要对所有360个座椅重复一次，大概需要1周时间。与采用模板方法相比，Johnson Controls提前三个半月把PT Cruiser车型的座椅投入生产。

除了加速验证这些座椅之外，新的检查工艺还被用于正在设计的座椅测试之中。对于12个座椅型号中的每一个，品质部要识别25个关键点。这些点的x、y和z坐标由扫描仪获得，然后输入到Excel电子数据表中，对所做的30个座椅的测试取平均。

“这样，如果一个座椅上的尺寸超出限定，从其它座椅的读数就把它带回内线，”Comfortseat工厂测试实验室的主管Leonardo Quintanar说。这些数值然后被用于设置制造公差，创建一个开始正常生产时做对比测试的主模型。

与过去仅仅由模板提供的“合格”或“不合格”评价相比，采用扫描数据来创建主模型，赋予Johnson Controls一种更为精确的生产测试方法。利用度量软件，Johnson Controls的品质工程师在主模型的数值和被测座椅的坐标之间执行量化比较，如果某一个区域超出公差，制造过程就可以看到超出部分有多少？尽管有可能手工测量座椅和模板之间的距离，可是，这样的测量的精度太低，没有什么价值。

采用扫描数据，可以对任何差异进行高精度的测量，有助于制造商确定问题的成因。例如，激光测量可能显示座椅的安置对一边或另一边太远。利用该信息，制造商了解在何处调整工艺以解决问题。Johnson用这种方法每一个季度从12种座椅型号中选取10个座椅来测试。

其它好处

新型检查系统的另一个应用是验证工程变更。“任何时候工程变更影响到座椅的时候，我们都要对其进行测试，”Leyva说，“过去，那意味着要修改模板或再造新模板，所以总会延迟至少两个月。现在，人们适应工程变更的速度更快，因为一旦座椅生产出来，就可以立即被扫描出来。”

采用三维激光扫描仪的另一个好处是节省空间。“采用模板，你需要大量的生产和装配空间，”Leyva说，“模板占据了底盘实验室的大部分空间。因为以扫描仪取而代之，我们已经把那些空间安排给其它用途。”

正如PT Cruiser项目所证明的那样，三维激光扫描仪座椅检查系统比模板的优越性体现在下列四个方面：

—完全消除了模板的成本；

—让新型座椅的设计尽快投产；

—产生更为精确的测量结果；

—容许对工程变更作出快速反应；

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