趙國(guó)初， 唐立宇

（上汽通用汽車有限公司VME尺寸工程科，上海 200120）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，乘用車的外觀造型和匹配質(zhì)量在人們的購(gòu)車標(biāo)準(zhǔn)中所占的比重越來(lái)越高[1]，SUV、MPV等中大型乘用車采用氣彈簧作為后舉門的輔助開(kāi)啟與關(guān)閉工具已經(jīng)非常普遍，因其具有安裝方便，無(wú)需保養(yǎng)，可支撐、緩沖、高度調(diào)節(jié)等作用[2-3]。由于舉門是由金屬薄件制成，金屬薄件主要為柔性件，具有柔性大、剛性小的特點(diǎn)[4]，在氣彈簧的作用下，舉門會(huì)發(fā)生變形，嚴(yán)重影響舉門周邊匹配質(zhì)量，因此，本文介紹了運(yùn)用激光掃描技術(shù)對(duì)舉門進(jìn)行掃描，將變形前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出變形區(qū)域及變形量，以此指導(dǎo)零件的反變形量，極大提高了問(wèn)題解決效率。

1 氣彈簧作用力

氣彈簧主要包括自由型氣彈簧、自鎖型氣彈簧、牽引式氣彈簧、阻尼器等等。一般情況下，汽車尾門氣彈簧使用的是自由型氣彈簧，如圖1所示，該氣彈簧的作用點(diǎn)有2個(gè)，1個(gè)在車身上（固定點(diǎn)），1個(gè)在舉門上（移動(dòng)點(diǎn)），為了避免受力不一致，左右兩側(cè)稱襯各布置1只氣彈簧，以達(dá)到受力均勻，變形一致。氣彈簧在舉門完全關(guān)閉時(shí)，為最短靜態(tài)使用狀態(tài)，受到的壓縮量最大，從而受到的壓力也最大[5-6]，同理推論舉門變形量也最大，因此研究舉門原始狀態(tài)及有氣彈簧關(guān)閉狀態(tài)對(duì)比即可。

圖1 氣彈簧結(jié)構(gòu)圖[7]

2 理論分析概述

CAE是指用計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備的功能、可靠性進(jìn)行模擬分析，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[8]。在數(shù)模階段，使用CAE對(duì)于舉門變形進(jìn)行分析，可以得到理論上的變形結(jié)果，對(duì)于舉門的反變形設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。在理論分析舉門受氣彈簧變形時(shí)，一般輸入的條件有：舉門的配重，舉門的材料屬性，氣彈簧作用載荷，氣彈簧的載荷作用點(diǎn)，舉門受力角度，鉸鏈及鎖扣的安裝位置，緩沖塊接觸位置，材料的型面，密封膠的強(qiáng)度，同時(shí)也要考慮密封條的反作用力[9]，但是以上的種種條件，全都是理論上的存在值，實(shí)際造車過(guò)程中的變化較大，如鉸鏈安裝位置的偏差，氣彈簧安裝位置的偏差，作用載荷角度的偏差等對(duì)整個(gè)舉門的變形都有重要的影響，因此必須以實(shí)物驗(yàn)證為最終反變形依據(jù)，以達(dá)到精確有效的效果。

3 激光掃描系統(tǒng)概述

激光掃描系統(tǒng)包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[10]。硬件系統(tǒng)包括主機(jī)（關(guān)節(jié)臂）、測(cè)頭系統(tǒng)（激光）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要為安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及處理軟件。

圖2 主要硬件系統(tǒng)示意圖

主要的原理是：激光測(cè)頭系統(tǒng)使用高密度點(diǎn)云及測(cè)量探針來(lái)收集數(shù)據(jù)，并在軟件系統(tǒng)中重新構(gòu)建零件原型，并且通過(guò)構(gòu)建坐標(biāo)系，擬合出零件表面的尺寸特征數(shù)據(jù)，從而完成逆向工程的應(yīng)用、檢測(cè)、CAD模型比較、造型以及更多的應(yīng)用。

Polyworks的檢測(cè)模塊運(yùn)用優(yōu)化的CAD數(shù)據(jù)對(duì)齊技術(shù)依據(jù)特征及3-2-1對(duì)整，及參照點(diǎn)對(duì)整執(zhí)行對(duì)比，快速地將掃描點(diǎn)與參照模型進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比點(diǎn)提取測(cè)量值，從而達(dá)到獲取測(cè)量曲面變形值的目的。氣彈簧使舉門變形的分析即可運(yùn)用此方法，掃描得出2次舉門外型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行減法計(jì)算，即可得出舉門的變形量。

4 激光掃描系統(tǒng)在舉門受力變形中的應(yīng)用

4.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法主要采用塞尺和階梯尺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示；塞尺是一種檢測(cè)間隙的薄片式量具[11]，階梯尺同塞尺具有同樣的屬性，是一種檢測(cè)階差的薄片式量具。雖能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及分析，但是數(shù)據(jù)是離散的，人工測(cè)量數(shù)據(jù)收集效率低，且無(wú)法識(shí)別出舉門在車身上的整體位移和自身變形的區(qū)別，只能夠反映綜合的變形情況，不利于指導(dǎo)零件進(jìn)行反變形的修模，易造成錯(cuò)誤結(jié)果，同時(shí)不能夠精確地反映出舉門變形的趨勢(shì)和量（塑料塞尺的精度為0.25），因此亟待一種新的方法來(lái)解決此問(wèn)題。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工具

4.2 激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

為準(zhǔn)確識(shí)別舉門的整體位移和自身變形，實(shí)驗(yàn)可采用多次坐標(biāo)擬合的方法，即以不變形的車身主體粘貼基準(zhǔn)球建坐標(biāo)作為主坐標(biāo)系，識(shí)別舉門的整體綜合變形量（包括整體位移和自身變形），再以舉門上基準(zhǔn)球（粘接至舉門上）建坐標(biāo)作為副坐標(biāo)系，識(shí)別舉門自身變形量。

在進(jìn)行測(cè)量前，按照理論分析概述中所述，安裝上鉸鏈、鎖扣、密封條等必要條件。

4.2.1 坐標(biāo)建立

為保證坐標(biāo)的精確性，選擇基準(zhǔn)球（球?qū)S偏心度公差不超過(guò)0.005 mm[12]）作為坐標(biāo)建立工具。選擇車身可靠位置粘接4個(gè)基準(zhǔn)球（如圖4所示序號(hào)1、2、3、4），因?yàn)闅鈴椈傻淖饔命c(diǎn)距離此4個(gè)位置較遠(yuǎn)，影響的可能性較小，因此默認(rèn)為可靠位置；同時(shí)在舉門中部位置選擇4個(gè)位置（A，B，C,D）粘接基準(zhǔn)球（如圖4所示）用來(lái)建立副坐標(biāo)系進(jìn)行舉門自身變形量識(shí)別。該4個(gè)位置為舉門中間位置，變形量較小，可忽略不計(jì)。

圖4 坐標(biāo)球示意圖

4.2.2 數(shù)據(jù)收集及分析

1）無(wú)氣彈簧掃描。利用車身4個(gè)基準(zhǔn)球進(jìn)行最佳擬合法建立坐標(biāo)系[13-15]，如圖4中序號(hào)1、2、3、4四個(gè)球位置所示；并進(jìn)行坐標(biāo)擬合，在此坐標(biāo)系下，測(cè)量A、B、C、D坐標(biāo)值{X1}，得出舉門原始位置坐標(biāo)；將球形探針測(cè)頭換為激光掃描測(cè)頭，對(duì)舉門周邊型面進(jìn)行掃描，得出原始舉門型面偏差尺寸{Y1}；

2）有氣彈簧掃描。在主坐標(biāo)系下，再次掃描舉門周邊型面，得出數(shù)值{Y2}，與前一次掃描結(jié)果做減法運(yùn)算，得出舉門位移量+舉門自身變形量的綜合結(jié)果 {Y}={Y2}-{Y1}，如圖5(a)所示；另外，通過(guò)球形測(cè)頭測(cè)量舉門坐標(biāo)球ABCD坐標(biāo)值{X2}，通過(guò)與之前數(shù)據(jù)做減法運(yùn)算，得出舉門的位移量{X}={X2}-{X1}，如圖5(b)所示，位移量在1.0～1.3之間。

圖5 舉門綜合變形與位移量

運(yùn)用舉門上球坐標(biāo)進(jìn)行擬合，得出副坐標(biāo)系；并在副坐標(biāo)系下，逆向計(jì)算出前兩次的數(shù)值，設(shè)副坐標(biāo)系下的前兩次型面數(shù)值為{X′1}及{X′2}，在副坐標(biāo)系下，對(duì)之前2次型面數(shù)據(jù)進(jìn)行減法運(yùn)算，得出舉門自身變形{X′}={X′2}-{X′1}，如圖6所示。以上計(jì)算結(jié)果均由掃描軟件自動(dòng)內(nèi)部處理完成，并輸出連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)值，為問(wèn)題分析提供了極大的便利。

圖6 舉門自身變形

4.2.3 小結(jié)

從以上的分析結(jié)果可以看出，運(yùn)用激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行舉門變形分析，有效地區(qū)分了舉門整體位移和自身變形量，具體結(jié)果如表1所示。同時(shí)，可運(yùn)用此數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)零件進(jìn)行精確反變形修模整改。

表1 舉門變形結(jié)果 mm

4.3 解決方案

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，舉門變形分為整體位移和自身變形，因此，需對(duì)應(yīng)解決相應(yīng)問(wèn)題，對(duì)于整體位移問(wèn)題，車身鉸鏈為過(guò)孔運(yùn)用工裝安裝，因此只需將舉門在表調(diào)線向上補(bǔ)償1.0 mm安裝即可；對(duì)于自身變形問(wèn)題，車頂匹配區(qū)域，向下反變形修正1.3 mm(取均值)；兩側(cè)飾板安裝面變形問(wèn)題，考慮到安裝面修模的時(shí)間及質(zhì)量成本，可考慮在總裝零件處增加止位筋，以修正舉門的變形量。

5 結(jié)論

從本文的描述可以得出，激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確有效地反映了舉門變形的狀態(tài)，以點(diǎn)云的形式直觀精確地反映了變形的區(qū)域和量，避免了傳統(tǒng)分析方法中階梯尺和塞尺收集數(shù)據(jù)的離散性的弊端，為反變形修正提供了可靠有效的數(shù)據(jù)保證，并且能夠一次反映舉門的所有變形區(qū)域，提高了分析效率，避免了以往在項(xiàng)目中以問(wèn)題為導(dǎo)向的分析過(guò)程，節(jié)約了時(shí)間，減小了工作量。

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