唐大慶

(神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

在汽車車身制造中，車身大型點(diǎn)焊合裝夾具是確保轎車車身焊接總成幾何尺寸精度的重要工裝，這類工裝（點(diǎn)焊夾具）的精度對焊接車身殼體的幾何精度影響明顯。夾具精度測量是維護(hù)夾具精度、改善車身幾何精度的基礎(chǔ)工作。夾具在線三坐標(biāo)（3D）測量技術(shù)（夾具不離開生產(chǎn)工位測量）是高效的工裝維護(hù)方式，該技術(shù)避免將夾具運(yùn)到專用3D測量室進(jìn)行測量，它能及時(shí)有效地對焊接工裝實(shí)施監(jiān)控，在汽車夾具的制造和檢查測量中應(yīng)用廣泛。

2 便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理及軟件

2.1 便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理

神龍公司點(diǎn)焊夾具的檢測設(shè)備——便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)選用的是法國ROMER公司開發(fā)的精密測量儀器（以下簡稱ROMER）。ROMRE便攜測量機(jī)能夠測量夾具元件的空間三維坐標(biāo)值，將該值與產(chǎn)品數(shù)字化定義（或夾具的理論值）進(jìn)行比較，得出夾具的三維空間坐標(biāo)偏差，利用這些偏差值就可分析、調(diào)整夾具，以達(dá)到提高白車身幾何尺寸的目的。

便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)的基本原理是利用測量機(jī)探針獲取夾具定位元件坐標(biāo)值，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理，反映被測夾具的真實(shí)形狀和數(shù)值。

ROMER的測量校準(zhǔn)精度是根據(jù)GDS軟件導(dǎo)引校準(zhǔn)程序?qū)y量臂進(jìn)行自校準(zhǔn)，維護(hù)時(shí)間短，簡單易用。其測量臂的單點(diǎn)重復(fù)性球精度±0.017，單點(diǎn)重復(fù)性錐孔精度±0.024，空間長度精度±0.034。

便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)相對于龍門或懸臂臺式3D測量機(jī)而言，雖然精度略低，但其機(jī)動性解決了大型夾具不能進(jìn)3D測量間測量的問題，具有快捷、高效的特點(diǎn)，并能滿足夾具測量的精度要求。

2.2 坐標(biāo)測量機(jī)軟件介紹

神龍公司三坐標(biāo)測量機(jī)使用法國Metrolog II軟件，測量機(jī)臂與筆記本電腦建立通信聯(lián)系后，使用Metrolog II軟件測量和檢查零件、夾具幾何形狀精度，通過測臂按鈕能輕松實(shí)現(xiàn)模擬鼠標(biāo)的功能。軟件采用Windows操作系統(tǒng)，窗口化顯示，它是標(biāo)準(zhǔn)MDI窗口屏幕的三維視圖，可以用視覺控制操作分層管理。此軟件的功能可輸入/輸出IGES、CATIA文件轉(zhuǎn)換，創(chuàng)建CAD表面的延伸面，并將測量數(shù)據(jù)分層顯示，同時(shí)可以與多種測量臂（Faro、Laika、Romer等）連接。

3 ROMER測量技術(shù)的應(yīng)用

便攜式ROMER測量機(jī)在汽車制造業(yè)中主要用于維護(hù)夾具的精度，由于便于攜帶，也可用于到供應(yīng)商處驗(yàn)收夾具，如圖1所示。

圖1 便攜式ROMER測量機(jī)

3.1 數(shù)字化定義DFN（Definitionnumeriques）

DFN（定義）即產(chǎn)品設(shè)定的坐標(biāo)理論值。這些理論值用來在視圖上繪出各種車身圖形，最終形成CAD模型文件。

測量夾具時(shí)，先打開CAD模型，再進(jìn)行測量，測量程序自動將實(shí)測值與DFN比較得出被測物體的偏差值。運(yùn)用CAD模型測量夾具通常要考慮是否有料厚補(bǔ)償、測量點(diǎn)的投影面是否正確等問題，如果料厚補(bǔ)償不對、投影面投影錯誤，在測量報(bào)告中會顯示夾具定位元件的幾何尺寸測量結(jié)果超差，但夾具定位元件的實(shí)際幾何尺寸并未超差，這是由于測量者失誤導(dǎo)致測量值顯示超差，即測量“歪曲”了夾具的真實(shí)狀態(tài)。這種情況在實(shí)際操作中時(shí)有發(fā)生，只有豐富經(jīng)驗(yàn)的測量技術(shù)人員才能分析判斷出尺寸超差的原因究竟是夾具加工裝配錯誤還是由于料厚補(bǔ)償不對和投影面投影錯誤。

料厚補(bǔ)償有三種值：正值、零、負(fù)值，它的具體數(shù)值是根據(jù)比較CAD模型和零件相對于測頭的位置（見圖2）來判斷的。

料厚的定義方向是根據(jù)比較CAD模型和零件相對于測頭的位置（見圖2）來判斷的。

圖2 料厚補(bǔ)償

當(dāng)用CAD模型測量一個曲面沒有料厚時(shí)如圖3所示，當(dāng)用CAD模型測量一個曲面有料厚時(shí)如圖4所示。

圖3 CAD模型測量一個曲面沒有料厚時(shí)

圖4 CAD模型測量一個曲面有料厚時(shí)

從圖4可知：測量時(shí)，當(dāng)測頭接觸的測量面是理論數(shù)模（即數(shù)字化定義表面）時(shí)，料厚補(bǔ)償為零；如測頭接觸的測量面是非數(shù)字化定義表面（即數(shù)字化定義表面加一個料厚），這時(shí)分兩種情況：當(dāng)測量夾具定位元件時(shí)（定位元件的定位面在非數(shù)字化定義表面），因測點(diǎn)穿過CAD模型（理論數(shù)模面），料厚補(bǔ)償為負(fù)（-），即夾具測量料厚補(bǔ)償為負(fù)；當(dāng)測量車身零件非數(shù)字化定義表面時(shí)，因測點(diǎn)未穿過CAD模型，料厚補(bǔ)償為正（+），即測量零件料厚補(bǔ)償為正。

投影面的定義：測量點(diǎn)選擇投影面也相當(dāng)重要（見圖5），投影在A面上得出l1點(diǎn)的正確測量值，投影錯誤則得出l2、l3點(diǎn)的錯誤測量值。測量人員必須具備正確判斷投影面的能力，否則會出現(xiàn)實(shí)物幾何尺寸正確而測量結(jié)果似是而非。

3.2 測量基準(zhǔn)

圖5 投影面

在夾具上設(shè)置三個不在一條直線上且在測量臂范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)球作基準(zhǔn)，如圖6所示，這種方式建立坐標(biāo)系誤差小、制造周期短，已被廣泛應(yīng)用于車身裝焊夾具上。

圖6 測量基準(zhǔn)

3.3 坐標(biāo)系

建坐標(biāo)系共有六種方法，常用的有兩種：3-2-1建立法和三個中心點(diǎn)法。

3.3.1 3-2-1 建立坐標(biāo)系

3-2-1建立坐標(biāo)系方法是通過在基準(zhǔn)表面上采集六個點(diǎn)（遵守6點(diǎn)定則），從而創(chuàng)建坐標(biāo)系，如圖7所示。點(diǎn)1，2，3設(shè)定了x方向，這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置是x=-100；點(diǎn)4，5設(shè)定了y方向坐標(biāo)，坐標(biāo)是y=45；點(diǎn)6設(shè)定了z方向，坐標(biāo)是z=50。

圖7 3-2-1建立坐標(biāo)系方法

3.3.2 三個中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系的方法

三個中心點(diǎn)的方法也稱作三點(diǎn)坐標(biāo)系法，是夾具上使用最多的建坐標(biāo)系的方法，它通過測量三個元素對應(yīng)于三個點(diǎn)(可以是球、圓、點(diǎn)中心的三維數(shù)值)，三個點(diǎn)的理論坐標(biāo)值是已知的（或通過其他方式標(biāo)定的），創(chuàng)建坐標(biāo)系后，使得三個點(diǎn)在三維汽車坐標(biāo)系中的值與理論坐標(biāo)值盡量接近（見圖8）。由于基準(zhǔn)的裝配精度存在微小偏差及測量人員技術(shù)的差異，導(dǎo)致構(gòu)建坐標(biāo)系后中心點(diǎn)理論值和實(shí)際值會有一些差距。如果基準(zhǔn)點(diǎn)偏差較大時(shí)（大于0.2），就需重新建立坐標(biāo)系。三個測量點(diǎn)的分布不能接近直線狀態(tài)，也不能布置在較小的范圍，否則建立的坐標(biāo)系精度會很差。

圖8 三個中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系方法

3.3.3 坐標(biāo)系的優(yōu)化

如果所有定位元件均有偏差并且偏差大小方向基本一致，這時(shí)可以采用坐標(biāo)系優(yōu)化。坐標(biāo)系優(yōu)化是對已有的坐標(biāo)系進(jìn)行幾何變化，即坐標(biāo)系按照坐標(biāo)軸進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。另一方面，坐標(biāo)系的優(yōu)化就是對夾具定位元件偏差進(jìn)行優(yōu)化，以便反映夾具真實(shí)的幾何精度。坐標(biāo)系的優(yōu)化常用于大型設(shè)備在安裝就位、底板水平調(diào)整后，夾具的基準(zhǔn)發(fā)生變化的場合。

優(yōu)化坐標(biāo)系可以選擇以下多個自由度：完全優(yōu)化(3個旋轉(zhuǎn)自由度+3個平移自由度)；平移優(yōu)化(1，2或3個平移自由度)；旋轉(zhuǎn)優(yōu)化(1個旋轉(zhuǎn)自由度+2個互補(bǔ)坐標(biāo)軸的平移自由度)。

通過上述旋轉(zhuǎn)和平移后的值可以看見優(yōu)化的狀況。如優(yōu)化后的坐標(biāo)系誤差顯示的值大于或等于0.2時(shí)，認(rèn)為坐標(biāo)系優(yōu)化失敗。坐標(biāo)系內(nèi)最佳擬合點(diǎn)的選擇最好是夾具的6個方向主定位點(diǎn)。

3.4 測量報(bào)告

夾具測量報(bào)告為工程技術(shù)人員分析、評價(jià)某一設(shè)備或工序能力的符合性、車身幾何尺寸的精度提供依據(jù)。

圖9 圖形報(bào)告

測量報(bào)告分為圖形報(bào)告（見圖9）和文本報(bào)告。圖形報(bào)告直觀反映了被測夾具測量點(diǎn)的位置，不需要對照夾具圖紙來查找測量點(diǎn)的實(shí)際位置，提高了分析效率；文本報(bào)告以表格形式輸出報(bào)告，一般用于存檔文件。夾具維護(hù)技術(shù)人員可利用測量報(bào)告快速、準(zhǔn)確地判斷夾具定位元件的實(shí)際狀態(tài)。

3.5 測量技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展

用便攜式測量機(jī)可直接測量沖壓零件在夾具上裝夾前、裝夾后和焊接后的不同狀態(tài)，測量結(jié)果可以用于計(jì)算設(shè)備的工序能力和質(zhì)量改進(jìn)。

對于大的被測合裝夾具，選擇長臂或7自由度便攜式測量機(jī)來測量大型合裝夾具定位元件的空間幾何位置尺寸。

有些零件總成是用檢具進(jìn)行檢查，受條件限制，檢具只能檢測有限的位置，而且無偏差值（僅用通止規(guī)測量）。ROMER可隨時(shí)對檢具上的焊接總成進(jìn)行多部位測量并得到測量值。

4 發(fā)展方向

目前，便攜式測量機(jī)已開發(fā)出數(shù)碼相機(jī)拍照、激光反射等非接觸式測頭來采集測量數(shù)據(jù)，它廣泛用于汽車設(shè)計(jì)中對泥塑轎車、零件外型（特別是汽車座椅類軟性材料）的掃描，使之形成理論數(shù)字化的圖形；依靠測量臂設(shè)計(jì)者能掃描到任何的幾何學(xué)形狀的“點(diǎn)云”,使設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)復(fù)雜的3D圖形模型。

激光跟蹤儀是新一代便攜式測量大空間物體的最佳測量儀器，如圖10所示。它采用超精密激光束，可測量長達(dá)35 m的物體，比其他任何方法都快速、可靠、精確。它使制造工程和質(zhì)量控制人員可以現(xiàn)場即時(shí)、隨地的測量和檢查大部件、機(jī)械工具和其他大物體。在車身線、地板線合裝夾具安裝施工中，使用激光跟蹤儀測量設(shè)備能精確測量若干分體工裝定位基準(zhǔn)的精度，確?？偝删龋珒r(jià)格昂貴，單機(jī)價(jià)格是便攜式測量機(jī)的3～5倍。

圖10 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀具有更佳的角度分辨率、重復(fù)性和精度，無需返回已知的參考點(diǎn)或抓住固定目標(biāo)點(diǎn)，可直接連接激光束實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。近幾年來，隨著汽車制造技術(shù)發(fā)展，尤其在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域、產(chǎn)品逆向工程領(lǐng)域及產(chǎn)品質(zhì)量檢測領(lǐng)域，針對復(fù)雜曲面的非接觸式三維空間掃描測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。