汽車研發與非接觸式測量技術

日前，《財富》發布了“2016年《財富》中國500強”，上汽集團以6704億元營收位列第五位，成為汽車行業的企業，也是今年榜單中進入前十的車企。汽車及零配件行業榜單方面，共有25家公司上榜，其中包括20家整車企業。

汽車行業近年來在國內快速發展，基礎在于汽車生產水平不斷進步。汽車生產水平的進步，來源于汽車研發工作的突破，而汽車研發中不斷的技術積累和進步，從材料選擇到車型設計，從座椅擺放到輪胎，都離不開測試技術的進步。近年來，非接觸式測量技術不斷在汽車行業中應用，在帶來檢測方式突破的同時，客觀上也推動了汽車研發工作的突破。

什么是非接觸式測量技術

隨著科學技術和工業的發展，測量技術在自動化生產、質量控制、反求工程及生物醫學工程等方面的應用日益重要。傳統的接觸式測量技術存在測量時間長、需進行補償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現代工業發展的需要。非接觸式測量技術是近年來發展起來的，其測量基于光學原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點，可以對物體進行靜態或動態的測量。此類技術應用在產品質量檢測和工藝控制中，可大大節約生產成本，縮短產品的研制周期，大大提高產品的質量，因而倍受人們的青睞。隨著各種高性能元器件如CCD、CMOS等的出現，非接觸測量技術得到迅猛的發展。非接觸式測量不需要與待測物體接觸，可以遠距離非破壞性地對待測物體進行測量。

非接觸式測量應用1——汽車三維掃描逆向

非接觸式測量在汽車研發中的應用，常見的就是汽車三維掃描逆向。三維掃描是一種很常見的非接觸式測量技術應用，不論是激光、白光還是藍光的三維掃描設備，都不需要接觸被測物體，即可測量物體的空間點坐標，重構物體的三維形貌。在汽車研發中，研發人員經常會對一些曲面較多且不規則的零部件做逆向，這些零部件不僅難以測量，效率低下，而且勉強測量后逆向的誤差也較大。在三維掃描技術發展并應用之后，汽車逆向的效率和均有了大幅度提升。國產汽車近年來能夠奮起直追，大跨步向世界先進汽車品牌靠近，三維掃描技術是一塊不可忽視的基石。除了零部件逆向之外，三維掃描技術還可以用于整車逆向，從而對汽車車身進行進一步的優化設計。在生產中，三維掃描技術還經常用來做質量檢測（數模對比），一方面保證鑄件、沖壓件、注塑件等的，另一方面指導生產工藝改進。

非接觸式測量應用2——汽車輕量化研究

汽車的輕量化,就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。除了車型持續優化，結構不斷改進外，采用輕質材料和減薄車身板料厚度是汽車輕量化實現的常用措施。

輕質材料包含金屬和非金屬，如鋁、鎂、鈦合金，塑料聚合物材料及陶瓷材料。這些材料的力學性能測定，使用傳統的應變片、傳感器、引伸計方法時，有三個關鍵的問題難以解決。首先，對于質量形體相對小的樣本來說，傳統接觸式測量會導致接觸面的變形，從而影響到測量結果的準確性。其次，接觸面不能太光滑——光滑的接觸面會造成接觸式測量時發生打滑的現象，這也會影響測量結果。第三、接觸式測量的依賴于敏感的電子元件，而許多材料在試驗過程中發生斷裂的話，斷裂時釋放的能量（特別是復合材料或脆性金屬）足以損壞這些電子元件。

非接觸式方法不僅可以解決以上的問題，從而更加適應輕量化研究中大量新型材料、金屬材料的力學性能檢測，同時在大變形、高速沖擊變形等實驗中也凸顯出相比傳統接觸式方法的巨大優勢。

上面說過，汽車輕量化常用的措施中，一方面是新型輕質材料的應用，另一方面是金屬薄板厚度的降低。非接觸式測量除了應用于汽車輕質材料的力學性能檢測中，在板料成形應變變形的測量中，其也已日益成為主流。上汽、廣汽等汽車研發機構，目前都開始引進使用這方面的系統。

非接觸測量應用3——汽車NVH研究

NVH標準，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、 聲振粗糙度(Harshness)三項標準，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。NVH是汽車工程領域一個比重很大的研究方向。從市場角度來說，用戶對汽車舒適感日益嚴苛的追求，給這方面研究提供了市場驅動力；從技術角度來說，汽車中大量的故障問題都與NVH有關。因此各大公司研發費用一般至少五分之一消耗在解決車輛的NVH問題上，中轎車在研發期間與NVH有關的實驗量非常大。

隨著大量研究機構和企業單位對NVH的重視，相關實驗的對象越來越廣，動態性能的指標要求也越來越高，傳統接觸式測量手段在很多時候，已無法完全滿足相關測量需求。非接觸式測量面對的測試對象更廣，適應環境能力更強，尤其針對動態高速等實驗測量有傳統接觸式測量無法企及的優勢，因而在企業NVH研究測試中，非接觸式測量逐步展露頭角，并牢牢在NVH研發中豎立起獨特的地位。NVH研究，除了噪聲研究外，還包含隔振及振動對零部件強度和壽命的影響方面的研究。后者與非接觸式測量的聯系更為緊密，在包括發動機振動模態分析，汽車車身整體及局部振動等相關實驗中，非接觸式測量方式均已成功應用。

非接觸式測量應用4——汽車安全性研究

汽車安全對于車輛來說分為主動安全和被動安全兩大方面。 主動安全就是操縱控制汽車要求自如平穩。被動安全是指汽車在發生事故以后對車內乘員的保護，如今這一保護的概念以及延伸到車內外所有的人甚至物體。

對于汽車安全方面的研究來說，碰撞測試的常規的實驗，此外，輪胎防滑防爆、汽車輔助駕駛系統等也是基本的研究領域。目前的汽車安全研究，進一步針對實際，模擬的實驗不論是速度、路況等都要求需要貼合實際，這對測量手段對各種復雜工況（高速、振動、大變形等）的適應性提出了很高的要求，而非接觸式測量在復雜工況適用性上特點鮮明、獨樹一幟，也就自然受到了相關研究者的青睞，并被應用在各自的研究實驗中。

全文總結

非接觸式測量方法不需接觸被測物體，對物體影響小，同時也避免過于被待測物體限制，適應復雜環境能力強，尤其對高溫、高速、大變形、破壞等工況研究有常規測量無法比擬的優勢，因而在當今汽車工程的研究工作中，越來越多的被應用。文中提到的汽車研發中四個應用方向只是一部分，更多的應用還需要汽車研發人員與非接觸式測量技術提供商進一步的挖掘合作。

相關非接觸式測量設備：

XTOM三維面掃描系統

XTDP三維光學攝影測量系統

XTDA三維動態變形測量分析系統

XTDIC數字散斑三維全場應變測量系統