張 博

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528000）

0 引言

白車身的生產(chǎn)和制造是現(xiàn)代工業(yè)制造的重要組成部分。白車身的主要生產(chǎn)流程：一些沖壓?jiǎn)渭屯赓?gòu)件等金屬零件，經(jīng)過(guò)裝配、焊接、涂膠等連接工藝構(gòu)成分總成，再由多個(gè)分總成形成車身骨架總成，即汽車白車身。為了保證車身各組裝件和零件具備互換性，以及保證車身的外觀美觀，需要在加工及制造過(guò)程中控制沖壓件及分總成的尺寸，必要時(shí)使用一些監(jiān)控測(cè)量手段。汽車白車身的組成零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、易變形，而白車身的裝配匹配狀態(tài)直接關(guān)系著整車的外觀和質(zhì)量。由于各種主客觀因素都會(huì)存在各種各樣的誤差，因此尺寸的控制和監(jiān)控手段就顯得尤為重要[1]。

好的監(jiān)控手段可以在低投資和低成本的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，并準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)白車身的裝配尺寸問題，以避免更大的損失[2]。目前各大整車制造廠中，對(duì)于白車身尺寸的監(jiān)控主要有以下3種手段[3]。

（1）檢具測(cè)量。檢具是通過(guò)機(jī)械加工和熱處理，制作白車身仿形塊來(lái)模擬整車裝配情況，從而檢測(cè)匹配狀態(tài)。這種檢測(cè)方案通常柔性較差，且在某些特殊情況下（如前端翼子板的測(cè)量）無(wú)法進(jìn)行定量偏差檢測(cè)，但優(yōu)點(diǎn)是投資低，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果較為直觀。

（2）非接觸式光學(xué)測(cè)量。非接觸式光學(xué)測(cè)量是光電技術(shù)與機(jī)械測(cè)量結(jié)合的測(cè)量技術(shù)，通過(guò)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，而且更有利于記錄、存儲(chǔ)和分析測(cè)量數(shù)據(jù)等功能。這種檢測(cè)方案多用來(lái)檢測(cè)單件和外覆蓋件的表面狀態(tài)和尺寸狀態(tài)，柔性高但投資成本高。

（3）接觸式三坐標(biāo)測(cè)量。是通過(guò)設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化的測(cè)量頭系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量零件表面點(diǎn)三維坐標(biāo)的一種測(cè)量方式。這種三坐標(biāo)測(cè)量具有精度高、速度快、柔性好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前用于整車測(cè)量較多的是懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量，這種測(cè)量方法需要較為苛刻的測(cè)量環(huán)境和定位精度，且測(cè)量時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，僅用來(lái)作為問題分析，而非批量監(jiān)控使用。

在白車身生產(chǎn)領(lǐng)域中，目前最先進(jìn)的前端檢測(cè)技術(shù)為白車身在線測(cè)量系統(tǒng)，它能夠?qū)Π总嚿硗飧采w件間相對(duì)間隙平度進(jìn)行100%測(cè)量和監(jiān)控；但對(duì)于類似翼子板這種需要監(jiān)控車身兩側(cè)相對(duì)位置的尺寸仍存在無(wú)法測(cè)量的局限性，且設(shè)備投入成本較高[4-5]。本文研究利用便攜式三坐標(biāo)和光學(xué)掃描測(cè)量結(jié)合的方式，測(cè)量白車身前端翼子板裝配狀態(tài)，并與懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證該測(cè)量方式的準(zhǔn)確性和可靠性，利用低成本方案解決批量生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的前端監(jiān)控問題，特別是在柔性化多車型共線的生產(chǎn)車間，采用該檢測(cè)方式能夠大大節(jié)省成本投資。

1 方法和測(cè)量原理

為了使用低成本方案解決白車身批量生產(chǎn)中的前端監(jiān)控需求，考慮采用測(cè)量原理類似但成本更為低廉的便攜式測(cè)量臂和激光掃描測(cè)量結(jié)合的方式。但需要考慮的是，懸臂式三坐標(biāo)能準(zhǔn)確記錄測(cè)量頭在X、Y、Z方向上的位移量，因此能準(zhǔn)確識(shí)別測(cè)量點(diǎn)的偏差情況；但便攜式測(cè)量臂僅能識(shí)別最終位置的空間坐標(biāo)，當(dāng)被測(cè)量件有變形或尺寸偏差時(shí)，人工操作在測(cè)量非特征點(diǎn)（曲面點(diǎn)）時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別測(cè)量點(diǎn)位置，因此需要選取特征點(diǎn)來(lái)建立坐標(biāo)系，通過(guò)非接觸式的激光測(cè)量頭來(lái)保證被測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

1.1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂和激光掃描頭的測(cè)量原理

三坐標(biāo)測(cè)量臂是一種通用性極強(qiáng)的測(cè)量設(shè)備，如圖1所示。工作原理：用若干個(gè)點(diǎn)表征待測(cè)的工件，然后在工件上測(cè)出這些點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，對(duì)測(cè)得的坐標(biāo)值進(jìn)行既定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得到被測(cè)工件的尺寸[6]。

圖1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和測(cè)量頭分類

柔性三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要是通過(guò)測(cè)量機(jī)末端安裝的接觸式測(cè)頭來(lái)接觸被測(cè)工件，測(cè)量臂的各關(guān)節(jié)和臂身處安裝有角度傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器及單片機(jī)組成的智能傳感器單元，經(jīng)過(guò)測(cè)量機(jī)內(nèi)部的傳感器將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終輸出測(cè)量數(shù)據(jù)[7]。

接觸式測(cè)量頭的測(cè)量方法都是通過(guò)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件接觸，采集被測(cè)表面的輪廓點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，從而獲得被測(cè)工件的表面輪廓信息[8]。但是由于該類測(cè)頭測(cè)端有一定的大小，所以難以對(duì)一些尺寸小的孔，槽或圓弧進(jìn)行測(cè)量：另外，該測(cè)頭在測(cè)量時(shí)有一定的測(cè)量力，對(duì)一些質(zhì)軟易碎的工件進(jìn)行測(cè)量，可能會(huì)導(dǎo)致此類工件的變形。而對(duì)于便攜式的測(cè)量臂，需手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)位置的拾取和測(cè)量，在測(cè)量一些曲面時(shí)就無(wú)法避免產(chǎn)生拾取測(cè)量誤差[9]。基于這種情況，非接觸測(cè)頭的研究就變得十分重要。其中，采用光學(xué)方法的非接觸式測(cè)頭可以彌補(bǔ)接觸式測(cè)量的這些缺點(diǎn)[10]。非接觸測(cè)頭是依據(jù)光學(xué)三角形測(cè)量原理[11]：利用具有一定幾何形狀的激光（如點(diǎn)、線、面光源），投射到被測(cè)工件表面上，形成的反射光點(diǎn)（光條）被圖像傳感器接收，根據(jù)光點(diǎn)（光條）在被測(cè)工件上成像的偏移量，以及與被測(cè)物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系，按照三角幾何原理算出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)[12-14]，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)光源和線光源測(cè)量原理

1.2 懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量原理

如圖3所示，懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一種固定在地面上，能產(chǎn)生至少3個(gè)線位移或角位移，且3個(gè)位移中至少有1個(gè)線位移的測(cè)量器具。它是通過(guò)測(cè)頭傳感器的觸發(fā)來(lái)獲得其空間坐標(biāo)值，然后對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行分析計(jì)算獲得測(cè)量的結(jié)果，進(jìn)而對(duì)工件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其基本測(cè)量原理也與便攜式一致，所不同的是由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)沿X、Y和Z軸移動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制程序中邏輯板能準(zhǔn)確計(jì)算出運(yùn)動(dòng)軌跡，將偏移量送到驅(qū)動(dòng)器上并通過(guò)比較軸的移動(dòng)來(lái)檢查運(yùn)動(dòng)的正確與否（測(cè)速與計(jì)數(shù)）；當(dāng)測(cè)頭與工件接觸時(shí)，邏輯板記錄下測(cè)量點(diǎn)的位置并把它送到用于進(jìn)行程序指令處理的計(jì)算機(jī)中；測(cè)量的結(jié)果被按照操作者選擇的格式顯示，如果必要，可以將它保存并進(jìn)行處理。相對(duì)于便攜式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，它排除了人員操作的誤差，具有更高的測(cè)量精度，但相應(yīng)成本高且測(cè)量過(guò)程較為漫長(zhǎng)，一般用于整車的尺寸問題分析。

圖3 懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

便攜式測(cè)量與懸臂式測(cè)量的測(cè)量原理基本相同，理論上除了設(shè)備本身的精度區(qū)別外，所得測(cè)量結(jié)果應(yīng)該完成一致。通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

為了準(zhǔn)確對(duì)比兩種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果，使用控制變量法，控制相同的外在因素條件，使兩種測(cè)量方式的車身固定方式、建系點(diǎn)和約束條件、測(cè)量點(diǎn)完全一致的情況下進(jìn)行分組測(cè)量；所不同的是測(cè)量設(shè)備，即懸臂式三坐標(biāo)和便攜式三坐標(biāo)的固定方式和拾取點(diǎn)測(cè)量方式不同，如圖4所示試驗(yàn)所用兩種測(cè)量設(shè)備參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量

表1 測(cè)量設(shè)備參數(shù)對(duì)比

從批量生產(chǎn)中隨機(jī)抽取5臺(tái)裝配完成的白車身，通過(guò)白車身的測(cè)量固定支架固定白車身后，利用懸臂式三坐標(biāo)進(jìn)行白車身的左右翼子板前端尺寸測(cè)量；懸臂式每測(cè)完一臺(tái)車，通過(guò)重型三角架固定便攜式三坐標(biāo)在車身前端處，手動(dòng)操作掃描此臺(tái)車的前端翼子板尺寸狀態(tài)。建系點(diǎn)選取為左、右端板件上3個(gè)RPS孔，測(cè)量點(diǎn)選取翼子板與大燈匹配的虎口和下方共14處，分別測(cè)量平度和間隙，如圖5、圖6所示。分別采用兩種測(cè)量方式，測(cè)量5臺(tái)白車身翼子板狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)比測(cè)量結(jié)果。

圖5 測(cè)量建系約束點(diǎn)

圖6 翼子板上測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)位置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

將5臺(tái)白車身分別編號(hào)為01～05，測(cè)量結(jié)果對(duì)比見下方曲線圖中，對(duì)比曲線分別為便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂通過(guò)激光掃描頭掃描測(cè)量獲得結(jié)果和懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量獲得結(jié)果。左右側(cè)平度和間隙點(diǎn)分開對(duì)比，5臺(tái)樣本車，每臺(tái)車測(cè)量56個(gè)點(diǎn)。間隙測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表2所示，表中可以看到兩種測(cè)量結(jié)果基本保持一致，最大誤差僅有0.16 mm。平度測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表3所示，可以看到兩種測(cè)量結(jié)果一致度更高，最大誤差也僅有0.16 mm。

表2 間隙測(cè)量結(jié)果對(duì)比

表3 平度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3.2 結(jié)果分析

對(duì)于這幾組測(cè)量數(shù)據(jù)，兩種測(cè)量方法間的差值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)5臺(tái)不同白車身的兩種測(cè)量結(jié)果偏差值整體標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)量均處于較低水平（最大0.075，最小0.017）。兩種測(cè)量方法控制樣品和測(cè)量環(huán)境完全一致，導(dǎo)致誤差的不確定性僅為人員操作和設(shè)備本身產(chǎn)生。

圖7 測(cè)量點(diǎn)選取

基于此測(cè)量結(jié)果，可以通過(guò)選取左翼子板上2個(gè)測(cè)量點(diǎn)（第1點(diǎn)和第6點(diǎn)）的間隙和平度進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示，觀察兩種測(cè)量方式是否能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行初步分析，可以得到翼子板的裝配尺寸狀態(tài)。如圖8所示，根據(jù)結(jié)果初步分析可知，第2和3臺(tái)樣本車翼子板X向偏差較大，根據(jù)1點(diǎn)和6點(diǎn)平度偏差相差較大，可以得出結(jié)論翼子板裝配后在Y向存在部分扭曲如表4所示。

圖8 測(cè)量點(diǎn)結(jié)果分析

表4 不同測(cè)量設(shè)備對(duì)比

通過(guò)此次對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)兩種測(cè)量設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，可以看到，便攜式測(cè)量臂在成本和測(cè)量便利性上更有優(yōu)勢(shì)，但測(cè)量精度不如懸臂式測(cè)量設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)和結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）便攜式三坐標(biāo)測(cè)量和激光掃描測(cè)量可以準(zhǔn)確測(cè)量白車身的前端翼子板裝配情況，測(cè)量數(shù)據(jù)具備可靠性且對(duì)問題分析能起到指導(dǎo)作用。

（2）便攜式三坐標(biāo)掃描測(cè)量結(jié)果和懸臂式測(cè)量結(jié)果一致性很高，而且在投入成本和測(cè)量便利性上更有優(yōu)勢(shì)。因此在精度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)所，可用便攜式三坐標(biāo)進(jìn)行替代測(cè)量。

（3）在白車身批量生產(chǎn)過(guò)程中，前端尺寸的監(jiān)控能夠提前發(fā)現(xiàn)裝配問題，避免后續(xù)不必要的返修和調(diào)整，因此前端尺寸批量監(jiān)控尤為重要。通過(guò)本文的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，可采用便攜式三坐標(biāo)和激光掃描側(cè)頭結(jié)合測(cè)量監(jiān)控方式，消除了檢具方案中的測(cè)量誤差，也帶來(lái)了更低的投資成本。