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(1.沈陽航空航天大學 航空航天工程學部, 沈陽 110136; 2.沈陽航空航天大學 國際教育學院,沈陽 110136;3.沈陽航空航天大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院,沈陽 110136)

0 引言

在航空、汽車等制造企業(yè)，夾具具有十分廣泛的應用，在產(chǎn)品的裝配過程中起到夾緊、定位的作用并保證裝配產(chǎn)品的裝配質(zhì)量[1]。因此，在汽車零部件的生產(chǎn)過程中，焊接夾具的安裝準確度將會直接影響汽車零件的焊接質(zhì)量[2]。然而，夾具在生產(chǎn)制造過程中往往會存在制造偏差，在工裝平臺上安裝時同樣會存在偏差，同時，由于焊接夾具在使用過程中會發(fā)生夾具變形、松動和磨損等情況，在焊接工件時一定會造成尺寸偏差，影響工件的合格率。因此制定出一套精確的夾具調(diào)裝方案定期對焊接夾具進行調(diào)裝具有重要的應用價值[3]。

1 焊裝夾具的典型調(diào)裝方法

數(shù)字化測量設備與三維測量軟件的結(jié)合使用具有測量精度高、攜帶方便、環(huán)境適應廣等優(yōu)點[4]，使得焊接夾具的調(diào)裝方法產(chǎn)生了革命性的突破，成為目前夾具調(diào)裝中不可或缺的關鍵組成部分，在國內(nèi)外絕大多數(shù)汽車企業(yè)中得到廣泛的應用。

1.1 典型調(diào)裝方法

典型的調(diào)裝方法是以工裝數(shù)模作為參考對象，通過數(shù)字化測量獲取夾具上關鍵檢測要素在機器坐標系下的實時檢測數(shù)據(jù)，將獲取的實測值以坐標的形式傳遞到三維測量軟件中，通過建立工裝坐標系，獲取當前狀態(tài)下夾具各檢測要素在工裝坐標下的實際坐標值，將該坐標值與工裝數(shù)模上相對應的各檢測要素的理論坐標值對比，計算出其在X、Y、Z三個坐標軸方向上的偏差值，偏差值不但反映了該夾具當前安裝位置與理論位置的差異，而且顯示了偏差的大小與方向，以此為依據(jù)，通過加減墊片的方法將夾具調(diào)整到設計要求狀態(tài)，以保證裝配工裝能滿足產(chǎn)品的使用要求，典型的夾具調(diào)裝流程如圖1。

圖1 典型夾具的調(diào)裝流程

1.2 典型調(diào)裝方法的缺點

目前，以關節(jié)臂測量機為代表的數(shù)字化測量設備，PC-DMIS為代表的三維測量軟件已經(jīng)成為工裝夾具調(diào)裝過程中必不可少的輔助系統(tǒng)[5]。若以工裝數(shù)模作為參考對象對夾具進行調(diào)裝，一旦工裝數(shù)模在設計過程中出現(xiàn)錯誤，調(diào)裝之后的夾具必然不會滿足要求；如果以產(chǎn)品數(shù)模取代工裝數(shù)模作為參考對象，由于產(chǎn)品數(shù)模是準確的，故PC-DMIS軟件以產(chǎn)品數(shù)模作為理論值計算出來的偏差值是準確的。因此，基于這種方法進行夾具調(diào)裝，可以大大提升夾具的安裝精度，并加快調(diào)裝速度。

典型汽車工裝的檢測方法是以工裝數(shù)模作為參考對象，如果能保證工裝數(shù)模的準確性，以工裝數(shù)模作為參考對象進行調(diào)裝也可滿足要求。但是，在工作人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模設計工裝數(shù)模的過程中，并不能保證建模的準確性，很有可能會出現(xiàn)失誤。例如，工裝數(shù)模的某些零部件沒有與樣件數(shù)模恰好貼合，存在間隙；或者工裝數(shù)模的某些零部件與樣件數(shù)模發(fā)生干涉，或者在工裝數(shù)模中設計出多余夾具等情況，勢必會導致相關檢測要素的理論坐標值發(fā)生改變，在實際的測量工作中上述情況屢見不鮮，如果以這樣的工裝數(shù)模作為檢測的參考對象，將會對調(diào)試完成后的工裝的誤差精度產(chǎn)生嚴重的影響，進而焊接之后的工件制造質(zhì)量將會大大降低，一旦工件的合格率下降，汽車的生產(chǎn)效率就會大打折扣，而且還要重新檢查工裝數(shù)模在哪里出現(xiàn)錯誤，造成不必要的時間浪費，對企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。

2 基于產(chǎn)品數(shù)模的焊接夾具調(diào)裝方法

焊接夾具是保證車身焊接質(zhì)量的重要因素，影響整個汽車的制造精度和生產(chǎn)周期[6]，因此針對上述情況，在典型檢測方法的基礎上提出汽車工裝檢測的一種優(yōu)化方法，即在調(diào)裝過程中，通過迭代法建立工裝坐標系，通過關節(jié)臂測量機獲取實測數(shù)據(jù)，再利用PC-DMIS軟件對產(chǎn)品數(shù)模進行適當?shù)奶幚碇螅援a(chǎn)品數(shù)模作為參考對象與實測數(shù)據(jù)進行比較來計算各檢測要素在各個坐標軸方向上的偏差值。

理想狀態(tài)下，工裝數(shù)模中的定位塊與產(chǎn)品數(shù)模恰好貼合，二者具有一個公共表面，在實際測量中實質(zhì)上就是以該公共表面作為理論值，因此無論是以工裝數(shù)模還是產(chǎn)品數(shù)模作為參考對象均能滿足要求，但是以產(chǎn)品數(shù)模作為參考對象效果更好。

2.1 產(chǎn)品數(shù)模的處理

工裝坐標系建立以后，在零件上進行采點觀察其偏差，通常使用的方法是“在CAD上查找理論值和僅點模式(次要)”，即獲取測量點信息之后，在數(shù)模上尋找與其距離最近的一點做為理論值進行比較。因此，如果不對數(shù)模進行修整，即刪除數(shù)模中不需要測量的零件，那么在夾具上采點之后，軟件在對實測值和數(shù)模進行對比的過程中，會選取在測量點法線方向上與其距離最近的一點作為理論值，但是，該理論點很可能位于其它零件上，因為該零件有可能比真實對應的零件距離測量點更近，因此造成了每一個測量點對應一個錯誤理論值的問題。因此，再將數(shù)模導入三維測量軟件中之前要利用相關CAD軟件將數(shù)模中工裝數(shù)模以及產(chǎn)品數(shù)模中的螺桿等多余零件全部刪除，原始數(shù)模中只需留下產(chǎn)品數(shù)模和工裝平臺即可。

但是由于產(chǎn)品數(shù)模導入軟件之后，數(shù)模的每個表面會分成很多層，所以要將多余的層隱藏或者刪除，只需留下與工裝的定位塊表面相貼合的那一層即可，如果不隱藏多余的層，軟件在查找理論值的過程中可能會以其中與實測點距離最近的那一層作為參考對象，例如某平面分成了A和B兩層，A層與定位塊表面接觸，如果獲取的實測點位于A和B兩層之間，且距離B層距離更近，那么系統(tǒng)就會把B層誤認為理論參考面，進而產(chǎn)生誤差，因此再將數(shù)模導入軟件之后要對產(chǎn)品數(shù)模進行CAD層設置，如圖2所示。

圖2 設置CAD層

在汽車工裝中，有部分工裝是關于某個坐標平面對稱的，工裝的數(shù)模也通常只給一個，因此在實際測量中我們要通過軟件的鏡像功能來實現(xiàn)數(shù)模的對稱，從而由一個數(shù)模來完成兩套工裝的檢測和安裝調(diào)整。

2.2 建立工裝坐標系

在測量過程中，把CAD模型導入測量軟件之后，數(shù)模自身會存在試件坐標系，然而通過數(shù)字化測量系統(tǒng)所獲取工裝零部件的點位信息是機器坐標系下的坐標值，因此，要將數(shù)模與產(chǎn)品結(jié)合在一起，而結(jié)合的過程就是建立坐標系的過程。

工裝坐標系的建立其目的在于，將機器坐標系與工裝坐標系建立一種聯(lián)系，確保硬測頭的每一個讀數(shù)既是在機器坐標系中的位置又是在工裝坐標系中的位置。簡單說就是將機器坐標系轉(zhuǎn)換(平移加旋轉(zhuǎn))到工裝坐標系中，使兩者完全一致。當然在實際建立工裝坐標系的過程中，不可能百分之百達到完全一致，因此在建立坐標系之后，要對其精度進行驗證，只要滿足規(guī)定誤差要求即可使用。

建立坐標系的方法主要有3-2-1法、最佳擬合法、迭代法，每種方法各具特點，各自均有特定適用的場合。

迭代法精度較高，并且不需要明確指定坐標軸，不用偏置坐標系，這些共同特點使迭代法在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

原理：迭代法實際上是3-2-1法和最佳擬合法的結(jié)合，同樣分為找正、旋轉(zhuǎn)、原點3個部分。如圖3。

找正：假設找正的是Z軸，利用3個點元素的理論值和實際值擬合出一個坐標系，通過反復移動該坐標系，使這3個點元素的矢量方向在Z軸方向上的偏差最小。并不需要這3個點的矢量方向與Z軸重合，允許存在一定的夾角,進而得到Z軸。

旋轉(zhuǎn)：假設旋轉(zhuǎn)得到X軸，只需選取兩個點元素即可，其它同找正相同。

原點：利用一個點元素不斷的擬合，最終通過原點制定出Y方向的零點。

圖3 迭代法建立坐標系

2.3 坐標系轉(zhuǎn)換原理

坐標系轉(zhuǎn)換的實質(zhì)就是基于工裝的公共點或公共特征求解出機器坐標系和試件坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。即通過采集機器坐標系和試件坐標系下的公共點，利用公共點之間的位置關系計算出轉(zhuǎn)換矩陣。

四元素法是一種典型的求解方法[7]。給定一組公共測量點，設其在兩個不同坐標系下的數(shù)據(jù)分別為P=(pi,i=1,2,3...n)和Q=(qi,i=1,2,3...n)，則兩組數(shù)據(jù)間應滿足：

其中與分別為兩個坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量。選取單位四元素W=[w0,w1,w2,w3]，則旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移向量T分別為：

求出R和T的值，即可得出坐標系轉(zhuǎn)換矩陣。

2.4 采集實測值

坐標系建立之后，通過接觸式測量的方式獲取夾具的各檢測要素的實際測量值，再利用軟件計算出實測值與理論值在X軸、Y軸和Z軸方向上的偏差值，以此為參考對夾具進行調(diào)裝。

2.5 基于產(chǎn)品數(shù)模的夾具調(diào)裝方法的優(yōu)點

以產(chǎn)品數(shù)模為參考對象，在獲取定位塊表面的點位信息之后，軟件會在產(chǎn)品數(shù)模中對應的表面，即二者的公共表面尋找理論值，但是如果由于建模錯誤等原因?qū)е露ㄎ粔K安裝精度誤差過大，在軟件中顯示出來的實測點位置距離產(chǎn)品數(shù)模表面的距離會很大，超出軟件設定的尋找范圍，此時軟件會顯示無法查找理論值。因此該種方法不僅可以避免以工裝數(shù)模為參考對象進行檢測時，由于數(shù)模建模失誤而造成調(diào)試完成的工裝不滿足要求的問題；還可以驗證工裝上各零部件的安裝位置是否正確，進而驗證工裝數(shù)模是否設計正確；無需在花費時間去檢驗設計完成后的工裝數(shù)模是否存在干涉等問題，在實際測量中根據(jù)偏差過大的位置可以有針對性的在原始數(shù)模中的相應位置進行查看。上述問題的解決，大大提高了工件的合格率，進而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

3 基于產(chǎn)品數(shù)模的調(diào)裝方法在某型汽車車門工裝的檢測過程中的應用

以某型汽車車門工裝為例，使用關節(jié)臂調(diào)裝系統(tǒng)完成夾具的調(diào)裝，如圖4。

圖4 某型汽車車門工裝

工裝平臺的底板平面是三坐標檢測的測量基準平面，所以首先要保證其不發(fā)生翹曲變形，即保證底板平面的平面度在精度范圍以內(nèi)[8]。

3.1 確定關節(jié)臂測量機的安裝位置

首先分析工裝平臺的組成要素，包括總體尺寸、調(diào)整零件的數(shù)目和位置、工作臺上的空閑位置、基準塊的分布等。從而確定測量機的安裝位置。

最好的安裝位置是將關節(jié)臂測量機直接固定在測量臺上，這樣設備便與工裝成為一個整體，即使在工作過程中工作臺位置發(fā)生改變，設備與零件之間的相對位置也不會改變，即始終保持工件坐標系與機器坐標系是一致的。

同時設備安裝的位置能使測頭檢測到的零部件越多越好，避免轉(zhuǎn)站，造成誤差積累。

3.2 導入CAD數(shù)模

將CAD數(shù)模導入三維測量軟件，將夾具數(shù)模全部刪除，利用CAD層功能將工件數(shù)模多余的層隱藏，只留與定位塊接觸的最外面一層，如圖5。

圖5 處理數(shù)模

3.3 工裝坐標系的建立

工裝坐標系建立的橋梁就是均勻分布在工裝臺上的基準要素。建立工裝坐標系時選取的基準要素應盡可能包圍全部關鍵檢測要素，也就是全部零件的測量特征應該均處于所選取基準要素的連線框里面。即滿足基準包容原則。

在數(shù)模上抓取3個基準孔的理論值，創(chuàng)建3個圓；

在工裝平臺上依次采集與數(shù)模上對應的3個圓；

在創(chuàng)建圓特征時，要先采集3個點創(chuàng)建一個平面，然后在采集4個點創(chuàng)建一個圓。

最后通過迭代法完成工件坐標系的建立，如圖6。

圖6 建立工裝坐標系

驗證坐標系是否滿足要求：利用關節(jié)臂測量機再次采集上述的3個圓，驗證偏差是否在誤差范圍之內(nèi)，如滿足，則建系完成；若不滿足，則記錄下3個圓的實測值，進入特征編輯界面，將3個圓的X、Y、Z值修改成之前的測量值，如圖7。反復進行迭代直到滿足要求為止。如圖8。

圖7 修改基準孔圓心理論值

圖8 檢驗坐標系偏差

3.4 夾具的調(diào)裝

在采集關鍵檢測要素數(shù)據(jù)之前，打開測頭模式中的“在CAD上查找理論值&僅點模式”。

3.4.1 定位塊的調(diào)裝

在定位塊的表面上直接采點即可，在報告窗口中觀察其偏差。

在采點過程中，探針測頭越小越好，越小越精確，因為測頭越小，半徑偏置引起的誤差越小，數(shù)值越精確，而且小的測頭也不容易使理論值查找到其他位置；

同時探針應盡可能位于所要采集特征的“中間”位置，避免出現(xiàn)在邊緣處，防止理論值查找到其他相鄰面；

對于同一個面，觀察其偏差的時候，最好采集兩個點，這兩個點可以分布在對角位置或者一邊位置，這樣便于綜合觀察面的偏差。

不要采集過多的點，點數(shù)過多容易產(chǎn)生錯誤，而且不利于偏差方向的確定，為調(diào)裝帶來不便。

3.4.2 定位銷的調(diào)裝

先在數(shù)模上抓取要檢測的圓柱銷，利用自動創(chuàng)建特征功能創(chuàng)建圓柱，再用關節(jié)臂測量機在圓柱銷上采點，分兩層采集，

每層大概4個點即可。

3.4.3 零件調(diào)裝方向的確定

偏差值=實測值-理論值，所以如果某軸方向的偏差為負值，則零件應該向該軸的正方向移動，否則，向負方向移動，偏差數(shù)值的大小即為移動的距離，如圖9。

圖9 確定調(diào)裝方向和距離

4 結(jié)論

如何提高汽車焊接夾具的安裝精度一直是汽車行業(yè)的研究熱點，到目前為止，數(shù)字化測量設備的應用改變了傳統(tǒng)的工裝夾具調(diào)裝方式，實現(xiàn)了夾具調(diào)裝的數(shù)字化、可視化、直觀化與便捷化。但仍未形成一種行業(yè)認可的高效率的檢測方法。以產(chǎn)品數(shù)模取代工裝數(shù)模作為參考對象的檢測方法，相比于典型的檢測方法，具有更高的準確度，在工件的合格率和生產(chǎn)效率上都有顯著提高，對汽車行業(yè)的發(fā)展起到促進作用。

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