大型點(diǎn)焊夾具幾何精度在線測(cè)量技術(shù)

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(duì)焊接車身殼體的幾何精度影響明顯。夾具精度測(cè)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(cè)量技術(shù)（夾具不離開生產(chǎn)工位測(cè)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(cè)量室進(jìn)行測(cè)量，它能及時(shí)有效地對(duì)焊接工裝實(shí)施監(jiān)控，在汽車夾具的制造和檢查測(cè)量中應(yīng)用廣泛。

2 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理及軟件

2.1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理

神龍公司點(diǎn)焊夾具的檢測(cè)設(shè)備——便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)選用的是法國(guó)ROMER公司開發(fā)的精密測(cè)量?jī)x器（以下簡(jiǎn)稱ROMER）。ROMRE便攜測(cè)量機(jī)能夠測(cè)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(cè)量機(jī)的基本原理是利用測(cè)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(cè)夾具的真實(shí)形狀和數(shù)值。

ROMER的測(cè)量校準(zhǔn)精度是根據(jù)GDS軟件導(dǎo)引校準(zhǔn)程序?qū)y(cè)量臂進(jìn)行自校準(zhǔn)，維護(hù)時(shí)間短，簡(jiǎn)單易用。其測(cè)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(zhǎng)度精度±0.034。

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

2.2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件介紹

神龍公司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用法國(guó)Metrolog II軟件，測(cè)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(cè)量和檢查零件、夾具幾何形狀精度，通過測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)分層顯示，同時(shí)可以與多種測(cè)量臂（Faro、Laika、Romer等）連接。

3 ROMER測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

便攜式ROMER測(cè)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(cè)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(cè)量夾具時(shí)，先打開CAD模型，再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量程序自動(dòng)將實(shí)測(cè)值與DFN比較得出被測(cè)物體的偏差值。運(yùn)用CAD模型測(cè)量夾具通常要考慮是否有料厚補(bǔ)償、測(cè)量點(diǎn)的投影面是否正確等問題，如果料厚補(bǔ)償不對(duì)、投影面投影錯(cuò)誤，在測(cè)量報(bào)告中會(huì)顯示夾具定位元件的幾何尺寸測(cè)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(cè)量者失誤導(dǎo)致測(cè)量值顯示超差，即測(cè)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(cè)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(cuò)誤還是由于料厚補(bǔ)償不對(duì)和投影面投影錯(cuò)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(duì)于測(cè)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(duì)于測(cè)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(cè)量一個(gè)曲面沒有料厚時(shí)如圖3所示，當(dāng)用CAD模型測(cè)量一個(gè)曲面有料厚時(shí)如圖4所示。

圖3 CAD模型測(cè)量一個(gè)曲面沒有料厚時(shí)

圖4 CAD模型測(cè)量一個(gè)曲面有料厚時(shí)

從圖4可知：測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)頭接觸的測(cè)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(cè)頭接觸的測(cè)量面是非數(shù)字化定義表面（即數(shù)字化定義表面加一個(gè)料厚），這時(shí)分兩種情況：當(dāng)測(cè)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(cè)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(cè)量料厚補(bǔ)償為負(fù)；當(dāng)測(cè)量車身零件非數(shù)字化定義表面時(shí)，因測(cè)點(diǎn)未穿過CAD模型，料厚補(bǔ)償為正（+），即測(cè)量零件料厚補(bǔ)償為正。

投影面的定義：測(cè)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(cè)量值，投影錯(cuò)誤則得出l2、l3點(diǎn)的錯(cuò)誤測(cè)量值。測(cè)量人員必須具備正確判斷投影面的能力，否則會(huì)出現(xiàn)實(shí)物幾何尺寸正確而測(cè)量結(jié)果似是而非。

3.2 測(cè)量基準(zhǔn)

圖5 投影面

在夾具上設(shè)置三個(gè)不在一條直線上且在測(cè)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(cè)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(gè)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(gè)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(gè)中心點(diǎn)建立坐標(biāo)系的方法

三個(gè)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(cè)量三個(gè)元素對(duì)應(yīng)于三個(gè)點(diǎn)(可以是球、圓、點(diǎn)中心的三維數(shù)值)，三個(gè)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(gè)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(cè)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(huì)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(gè)測(cè)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(huì)很差。

圖8 三個(gè)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(duì)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(duì)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(chǎng)合。

優(yōu)化坐標(biāo)系可以選擇以下多個(gè)自由度：完全優(yōu)化(3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度+3個(gè)平移自由度)；平移優(yōu)化(1，2或3個(gè)平移自由度)；旋轉(zhuǎn)優(yōu)化(1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度+2個(gè)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(gè)方向主定位點(diǎn)。

3.4 測(cè)量報(bào)告

夾具測(cè)量報(bào)告為工程技術(shù)人員分析、評(píng)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(cè)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(cè)夾具測(cè)量點(diǎn)的位置，不需要對(duì)照夾具圖紙來查找測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展

用便攜式測(cè)量機(jī)可直接測(cè)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(cè)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(duì)于大的被測(cè)合裝夾具，選擇長(zhǎng)臂或7自由度便攜式測(cè)量機(jī)來測(cè)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(cè)有限的位置，而且無偏差值（僅用通止規(guī)測(cè)量）。ROMER可隨時(shí)對(duì)檢具上的焊接總成進(jìn)行多部位測(cè)量并得到測(cè)量值。

4 發(fā)展方向

目前，便攜式測(cè)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(cè)頭來采集測(cè)量數(shù)據(jù)，它廣泛用于汽車設(shè)計(jì)中對(duì)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(cè)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(cè)量大空間物體的最佳測(cè)量?jī)x器，如圖10所示。它采用超精密激光束，可測(cè)量長(zhǎng)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(chǎng)即時(shí)、隨地的測(cè)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(cè)量設(shè)備能精確測(cè)量若干分體工裝定位基準(zhǔn)的精度，確?？偝删?，但價(jià)格昂貴，單機(jī)價(jià)格是便攜式測(cè)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(cè)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(cè)領(lǐng)域，針對(duì)復(fù)雜曲面的非接觸式三維空間掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。