方階平

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

在汽車制造三坐標測量行業(yè)內(nèi)，主流的測量技術(shù)有接觸式測量和非接觸式測量兩種。常用的非接觸式測量，應(yīng)用三角測距法和光速測距法，對應(yīng)藍光拍照式測量機和激光掃描式測量機。激光探頭結(jié)合CNC控制，實現(xiàn)了測量效率的飛躍式提升。超高的測量效率也為未來實現(xiàn)沖壓件在線測量提供了先決條件。光學測量不僅僅能大幅提升測量效率，其采集的大量信息，也為數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展奠定基礎(chǔ)。

對被測零件，進行藍光拍照或激光掃描后，可以得到對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)的深度挖掘，可以實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)提取、折邊測量、虛擬匹配、仿真模擬、內(nèi)間隙測量和虛擬實驗等功能。讓一次測量能夠被深入分析，充分發(fā)揮測量機的使用效率與作用。

獲取點云數(shù)據(jù)

首先，想要應(yīng)用數(shù)據(jù)，先要獲取數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)的獲取途徑如圖1所示，是通過測量設(shè)備對被測零件的數(shù)據(jù)采集得到的。接觸式測量采用探針打點式測量方式，獲取的是單點的坐標信息，包含被測量點的唯一位置與方向的信息。而光學測量，是在一定區(qū)域內(nèi)，覆蓋規(guī)定密集度的采集點陣列，通常陣列設(shè)置為0.05mm×0.05mm帶寬。這些測量點密集的分布在被測零件上，包含非常多的位置與方向的信息。而我們通常使用的測量報告，只呈現(xiàn)了這些陣列在一個坐標系下的非常少的一部分數(shù)據(jù)表達。因此，可以認為一次光學測量結(jié)果有很多種的展現(xiàn)方式，用來分析不同的問題。

圖1 拍照式測量設(shè)備和掃描式測量設(shè)備

其次，測量機所獲取的數(shù)據(jù)通常稱為“點云數(shù)據(jù)”，點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量對于應(yīng)用拓展至關(guān)重要。如圖2所示，兩種不同設(shè)備獲得的不同質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2，經(jīng)過實體化處理后的結(jié)果。

圖2 點云數(shù)據(jù)1和點云數(shù)據(jù)2

由圖2可以明顯的看到點云數(shù)據(jù)2的圖像更細膩，更平滑，而點云數(shù)據(jù)1的圖像有明顯的條紋感與褶皺。這兩份點云分別使用蔡司激光掃描EE2測量和GOM拍照式測量采集的同一零件信息。這種區(qū)別主要來自設(shè)備的采集原理不同。影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要原因有：一是設(shè)備的采集原理，如拍照式、激光掃描式等；二是設(shè)備的精度與狀態(tài)，如測量頭分辨率、設(shè)備老化、采集角度/距離等；三是環(huán)境因素，如強光和震動等；四是被測物體因素，如反光，顏色等；五是設(shè)備參數(shù)設(shè)置，如激光頻率及分辨率等。

工欲善其事，必先利其器。為了數(shù)據(jù)的應(yīng)用拓展更準確，首先需要保證采集的數(shù)據(jù)的“準確性”和“適當性”?！斑m當性”就是根據(jù)需求選擇采集質(zhì)量，對于較為簡單的應(yīng)用拓展，普通質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)就能夠滿足要求。而對于復雜的應(yīng)用拓展，例如特征線計算，就需要更高品質(zhì)的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量。也就是說殺雞焉用牛刀。具體如何應(yīng)用與選擇，將在后文展開。

鈑金成型中的數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展

鈑金成型是指沖壓件的成型過程，在汽車制造過程中，沖壓工藝作為汽車工藝流程的上游過程，對于車輛產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。尤其是覆蓋件的尺寸，直接影響車輛外觀，是客戶重點關(guān)注事項之一。在項目開發(fā)階段，通過對測量數(shù)據(jù)的深度分析與數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展，是可以清晰的指導模具優(yōu)化，節(jié)約開發(fā)時間與驗證時間，提高開發(fā)效率，并起到節(jié)省開發(fā)經(jīng)費的效果。

1.離線數(shù)據(jù)提取

離線數(shù)據(jù)提取是數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展里最基礎(chǔ)的一項功能，就是在點云數(shù)據(jù)中提取額外的測量點信息，包括表面點，切邊點和孔的位置和方向信息。通常的需求形式是加密測量（見圖3），在指定區(qū)域內(nèi)為了分析零件的變化趨勢，平均1mm的距離選取一個測量點。常用軟件有卡爾蔡司公司的“Caligo”測量軟件和“GOM”測量軟件，其自帶選點功能可以滿足選點需求。

圖3 加密測量報告

但在實際操作時會發(fā)現(xiàn)（見圖4），加密測量點的測量結(jié)果會隨著計算范圍和計算設(shè)置的不同而有一定的區(qū)別，這就與非接觸式測量數(shù)據(jù)算法有關(guān)了。測量結(jié)果是根據(jù)設(shè)定范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)，通過一個設(shè)定公式計算所得。這個設(shè)定的點云范圍過大，則受曲面曲率影響越大。如果這個范圍過小，則會出現(xiàn)沒有足夠數(shù)據(jù)參與計算，無法計算結(jié)果的問題。因此，對于汽車制造的建議計算范圍是直徑為1～1.5mm的圓形區(qū)域，可根據(jù)實際情況適當增減。

圖4 測量點計算范圍設(shè)置

通常，以表面點的計算為例，用不同的公式算法，能得到不同的結(jié)果。沖壓零件的表面通常是曲面。當需要找到零件最高點時，應(yīng)使用“極值點”算法，一個垂直測量點法向的計算平面沿法向方向靠近測量點，當與點云首次相交，得到的測量數(shù)值為該點測量結(jié)果。當需要檢測零件的形變時，為了排除干擾因素影響，通常使用“表面點”算法，將計算區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)在法向方向進行求平均值，得到的測量數(shù)值為該點的測量結(jié)果。

與此類似的還有圓孔的計算，應(yīng)考慮是內(nèi)切圓還是外接圓，是否有參考平面，計算深度是多少等等。這些算法的選擇應(yīng)根據(jù)實際情況和問題分許需求設(shè)定。

2.實體模型數(shù)字化對比

在日常生產(chǎn)中，常常會遇到交叉試驗與對比試驗。這時，標準工件將不再是設(shè)計數(shù)模，而是若干零件中的一個。應(yīng)用點云數(shù)據(jù)實體化方案，就可以將生產(chǎn)出的零件點云數(shù)據(jù)，制作成為標準數(shù)模，然后和其它零件掃描采集點云數(shù)據(jù)進行對比。通過對比熱力圖，能更直觀發(fā)現(xiàn)他們之間的區(qū)別。這項功能同樣能運用在逆向開發(fā)和數(shù)據(jù)保存工作中。

下面以GOM軟件為例，介紹如何進行點云數(shù)據(jù)模型實體化。首先將得到的點云數(shù)據(jù)導入到GOM軟件中，如圖5所示。

由圖5可以看見點云是離散的點，這些點能夠呈現(xiàn)被測物的形狀特征。然后就是將這些點連線變成面，進行“點云多邊化”操作，如圖6所示?！包c云多邊化”是將臨近的三個測量點連線組合成一個面，大量的小平面組合成一個大平面。多邊化之后就可以進行CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化了，得到的CAD數(shù)據(jù)（見圖7），就可以進行下一步對比或試驗工作了。

圖5 點云模型

圖6 “點云多邊化”和“CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化”

圖7 點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的CAD數(shù)據(jù)

3.虛擬測量實驗

每次零件測量完成后，能夠得到一份正式檢測報告。在分析零件尺寸問題的過程中，想要重新設(shè)計零件測量方法，則需要重新測量零件。如果得到零件的點云數(shù)據(jù)，我們可以使用它進行一部分虛擬測量實驗，就能很快的得到所需的結(jié)果。

虛擬測量實驗的應(yīng)用場景有：改變零件建系方式；建系點虛擬尺寸優(yōu)化；局部區(qū)域最佳擬合；建立局部區(qū)域分析坐標系；沖壓工藝模擬分析。

虛擬測量實驗的本質(zhì)是，改變坐標系建立方式，分析不同坐標系下，同一零件的不同狀態(tài)。

首先要清楚坐標系是什么？坐標系是常用輔助方法，常見有直線坐標系、平面直角坐標系。為了說明質(zhì)點的位置、運動的快慢、方向等，必須選取其坐標系。在參照系中，為確定空間一點的位置，按規(guī)定方法選取的有次序的一組數(shù)據(jù)。

通常以3-2-1建系法則為基礎(chǔ)，在零件上定義不同的基準點，就可以得到不同的測量結(jié)果。例如在研究尾燈安裝區(qū)域尺寸問題時，如果在整車坐標系下分析局部區(qū)域，會發(fā)現(xiàn)由于尾燈區(qū)域遠離建系點，誤差積累和零件受重力影響變形會導致尾燈區(qū)域超差。如圖8圖9所示，在實際裝配環(huán)境中，由于尾燈裝配關(guān)系只與尾燈安裝孔和相對應(yīng)臺階面有關(guān)，所以對于這類問題，在局部區(qū)域分析相對關(guān)系會更準確。

圖8 側(cè)圍整車坐標系

圖9 尾燈局部坐標系

例如在分析機蓋內(nèi)板沖壓零件尺寸偏差時，零件固定在測量支具上時，主定位點與輔助定位點會將零件固定，固定點處偏差會被機械矯正至理論位置。此時零件的制造偏差將會被積累到其他區(qū)域，如圖10所示，Z1、Z2、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖。

由圖10可以看到，機蓋與前燈搭接處Z向偏低，在后續(xù)裝焊工藝后會出現(xiàn)機蓋前端Z向偏低引起的機蓋與前大燈間隙小等問題。但是，改變另一種坐標系建立方式，從總裝裝配角度出發(fā)，則會有另一種結(jié)果，如圖11所示，Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖。

圖10 Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖

由圖11可以看到，此時機蓋與翼子板搭接處的形面Z向偏低，會導致機蓋到翼子板平順相關(guān)問題。這種測量方式模擬的是機蓋裝配時，只有四點與車身固定，及后端位于Z3，Z7處的兩個鉸鏈，與前端位于Z10，Z11處的鎖柱。通過兩種不同的分析方法，可以分析零件的修改量與最優(yōu)方案。

圖11 Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖

折彎工藝質(zhì)量控制

沖壓零件的折彎工藝包括“懸空折彎（也叫三點折彎），模中折彎（也叫壓底折彎），翻板折彎，折邊與壓合（組合折彎）等”。沖壓的這些折彎工藝制造了不同弧度，不同半徑的曲面。三坐標測量中，曲面測量一直是難點，傳統(tǒng)的打點式測量機只能通過在圓弧截面線上取三點，來擬合出與圓弧內(nèi)切的圓，從而粗略的得到圓角質(zhì)量參數(shù)，同時，對于較小半徑的圓角是無法測量的。但是使用光學測量能夠很好的解決這一問題。本文以測量難度最大的特征線測量為例，介紹光學測量在特征線測量中的應(yīng)用。

汽車車身是由曲面構(gòu)成，造型設(shè)計具有復雜的造型信息，結(jié)構(gòu)信息和工藝信息。特征線也是車型特有特征和重要識別標值，往往特征線貫穿整個車身，所以其制造精度對于裝配搭接有重要影響。特征線的圓角是否銳利，也是重要的設(shè)計要求，其中體現(xiàn)了造型設(shè)計師的設(shè)計表達。

然而，特征線與折邊不同，折邊圓角弧度通常大于或等于180°，可以清晰的識別出圓弧的起點與終點。但是特征線是往往小于45°，甚至小于30°的多段不同半徑值圓弧。因此測量難度非常大，需要識別圓弧起點與終點，還要提取足夠的中間點取擬合內(nèi)切圓，這時就用到了光學測量的點云數(shù)據(jù)，從高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)中，是能夠提取到足夠數(shù)據(jù)進行計算的。GOM軟件具有處理圓角測量信息的功能。制作特征線截面線如圖12所示。

圖12 制作特征線截面線

首先在特征圓弧數(shù)模上間隔做出與圓弧法向平面垂直的截面，我們將在這個界面上進行特征抓取與計算。然后，我們在這個界面中，抓取圓弧的起始點，結(jié)束點，理論邊界點和最大曲率點，如圖13所示特征線截面線上數(shù)據(jù)抓取。

圖13 特征線截面線上數(shù)據(jù)抓取

然后就需要導入我們測量好的點云數(shù)據(jù)了，將點云數(shù)據(jù)導入GOM軟件，得到實際值與理論值的對比圖，圖中綠色為實際值，藍色為理論值，圖14所示為實際值與理論值對比。

圖14 實際值與理論值對比

最后，我們可以得到特征線的最大弧度值偏差，特征線角度值等信息，并且將這些特征應(yīng)用與開始建立的所有截面線后，可以得到整條特征線的信息，并制作成直觀的熱力圖和折線圖報告，圖15所示為特征線測量報告。

圖15 特征線測量報告

虛擬匹配中的數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展

白車身虛擬匹配技術(shù)是通過電腦計算通過虛擬裝配的方式，來預(yù)測兩個零件裝配到一起后的相互關(guān)系與內(nèi)間隙，平順度等數(shù)值。光學測量在其中發(fā)揮了重要的作用，首先分別使用光學設(shè)備測量兩個零件，得到兩個零件的點云數(shù)據(jù)，然后將點云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，進行虛擬裝配。

本文以某車型左側(cè)機蓋與翼子板間隙大問題為例，如圖16所示，機蓋翼子板間隙的公差標準為3±0.5mm。如圖17所示，機蓋和翼子板匹配區(qū)域單件的公差均為±0.4mm，實測偏差值分別為-0.4mm和-0.35mm，從單件報告結(jié)果來看，機蓋與翼子板零件單件均在公差范圍內(nèi)，是合格的。利用虛擬匹配的方法進行分析測量，在虛擬裝配后的模型上選取測量點，測量后生成報告，如圖18所示機蓋與翼子板的間隙過大，偏差為0.7mm左右，測量結(jié)果是超差的。針對此類問題，單件測量報告均在合格范圍內(nèi)，進行匹配后，間隙結(jié)果超出公差。采用常規(guī)方法難以有效檢測，利用虛擬匹配技術(shù)，可做到快速識別與預(yù)警。且虛擬匹配報告中色差的變化能夠直觀的顯示出工件的偏差狀態(tài)。因此在汽車試生產(chǎn)調(diào)試期間以及量產(chǎn)過程中，采用虛擬匹配技術(shù)對可提高質(zhì)量檢測效率，降低尺寸質(zhì)量成本，具有重要意義。

圖16 機蓋翼子板間隙的公差標準

圖17 機蓋翼子板單件測量報告

圖18 虛擬匹配機蓋翼子板間隙測量報告

數(shù)據(jù)挖掘方向

三坐標光學測量數(shù)據(jù)包含很多零件信息，某些時候可以當作零件本身進行一些實驗驗證工作。未來，對于這些數(shù)據(jù)，還有許多內(nèi)容可以挖掘利用。例如和仿真軟件進行結(jié)合，生成更精確的尺寸鏈信息，單件公差分配等等標準文件。如此取得的標準文件更具有可行性與適用性，能夠更好的降低制造成本。

更多的利用虛擬數(shù)據(jù)進行試驗驗證，檢查裝配關(guān)系，尋找問題根本原因會變得更為直觀，能精確定位肉眼無法看見的區(qū)域的干涉問題，同時節(jié)省了大量的人力、物力、財力和時間。

結(jié)語

在未來，光學測量的高效性結(jié)合測量支具的自動化改造，讓沖壓件的在線測量變?yōu)榭赡?，同時數(shù)據(jù)鏈反饋的閉環(huán)設(shè)計，將能夠及時的將沖壓件尺寸缺陷反饋給沖壓設(shè)備進行自調(diào)整，形成生產(chǎn)與質(zhì)量監(jiān)控的閉環(huán)，真正的實現(xiàn)智能工廠，未來工廠構(gòu)想。