基于產(chǎn)品數(shù)模的汽車焊接夾具調(diào)裝技術(shù)研究

，，，

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部, 沈陽(yáng) 110136; 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,沈陽(yáng) 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(yīng)用，在產(chǎn)品的裝配過(guò)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(guò)程中，焊接夾具的安裝準(zhǔn)確度將會(huì)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(guò)程中往往會(huì)存在制造偏差，在工裝平臺(tái)上安裝時(shí)同樣會(huì)存在偏差，同時(shí)，由于焊接夾具在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生夾具變形、松動(dòng)和磨損等情況，在焊接工件時(shí)一定會(huì)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(duì)焊接夾具進(jìn)行調(diào)裝具有重要的應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 焊裝夾具的典型調(diào)裝方法

數(shù)字化測(cè)量設(shè)備與三維測(cè)量軟件的結(jié)合使用具有測(cè)量精度高、攜帶方便、環(huán)境適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)[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(guān)鍵組成部分，在國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)汽車企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)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(duì)象，通過(guò)數(shù)字化測(cè)量獲取夾具上關(guān)鍵檢測(cè)要素在機(jī)器坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，將獲取的實(shí)測(cè)值以坐標(biāo)的形式傳遞到三維測(cè)量軟件中，通過(guò)建立工裝坐標(biāo)系，獲取當(dāng)前狀態(tài)下夾具各檢測(cè)要素在工裝坐標(biāo)下的實(shí)際坐標(biāo)值，將該坐標(biāo)值與工裝數(shù)模上相對(duì)應(yīng)的各檢測(cè)要素的理論坐標(biāo)值對(duì)比，計(jì)算出其在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的偏差值，偏差值不但反映了該夾具當(dāng)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(guò)加減墊片的方法將夾具調(diào)整到設(shè)計(jì)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(diǎn)

目前，以關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)為代表的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，PC-DMIS為代表的三維測(cè)量軟件已經(jīng)成為工裝夾具調(diào)裝過(guò)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(duì)象對(duì)夾具進(jìn)行調(diào)裝，一旦工裝數(shù)模在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，調(diào)裝之后的夾具必然不會(huì)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(duì)象，由于產(chǎn)品數(shù)模是準(zhǔn)確的，故PC-DMIS軟件以產(chǎn)品數(shù)模作為理論值計(jì)算出來(lái)的偏差值是準(zhǔn)確的。因此，基于這種方法進(jìn)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(cè)方法是以工裝數(shù)模作為參考對(duì)象，如果能保證工裝數(shù)模的準(zhǔn)確性，以工裝數(shù)模作為參考對(duì)象進(jìn)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(shè)計(jì)工裝數(shù)模的過(guò)程中，并不能保證建模的準(zhǔn)確性，很有可能會(huì)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(shè)計(jì)出多余夾具等情況，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致相關(guān)檢測(cè)要素的理論坐標(biāo)值發(fā)生改變，在實(shí)際的測(cè)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(cè)的參考對(duì)象，將會(huì)對(duì)調(diào)試完成后的工裝的誤差精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，進(jìn)而焊接之后的工件制造質(zhì)量將會(huì)大大降低，一旦工件的合格率下降，汽車的生產(chǎn)效率就會(huì)大打折扣，而且還要重新檢查工裝數(shù)模在哪里出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成不必要的時(shí)間浪費(fèi)，對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(gè)汽車的制造精度和生產(chǎn)周期[6]，因此針對(duì)上述情況，在典型檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出汽車工裝檢測(cè)的一種優(yōu)化方法，即在調(diào)裝過(guò)程中，通過(guò)迭代法建立工裝坐標(biāo)系，通過(guò)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再利用PC-DMIS軟件對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚碇?，以產(chǎn)品數(shù)模作為參考對(duì)象與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)計(jì)算各檢測(cè)要素在各個(gè)坐標(biāo)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(gè)公共表面，在實(shí)際測(cè)量中實(shí)質(zhì)上就是以該公共表面作為理論值，因此無(wú)論是以工裝數(shù)模還是產(chǎn)品數(shù)模作為參考對(duì)象均能滿足要求，但是以產(chǎn)品數(shù)模作為參考對(duì)象效果更好。

2.1 產(chǎn)品數(shù)模的處理

工裝坐標(biāo)系建立以后，在零件上進(jìn)行采點(diǎn)觀察其偏差，通常使用的方法是“在CAD上查找理論值和僅點(diǎn)模式(次要)”，即獲取測(cè)量點(diǎn)信息之后，在數(shù)模上尋找與其距離最近的一點(diǎn)做為理論值進(jìn)行比較。因此，如果不對(duì)數(shù)模進(jìn)行修整，即刪除數(shù)模中不需要測(cè)量的零件，那么在夾具上采點(diǎn)之后，軟件在對(duì)實(shí)測(cè)值和數(shù)模進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中，會(huì)選取在測(cè)量點(diǎn)法線方向上與其距離最近的一點(diǎn)作為理論值，但是，該理論點(diǎn)很可能位于其它零件上，因?yàn)樵摿慵锌赡鼙日鎸?shí)對(duì)應(yīng)的零件距離測(cè)量點(diǎn)更近，因此造成了每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)錯(cuò)誤理論值的問(wèn)題。因此，再將數(shù)模導(dǎo)入三維測(cè)量軟件中之前要利用相關(guān)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(tái)即可。

但是由于產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入軟件之后，數(shù)模的每個(gè)表面會(huì)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(guò)程中可能會(huì)以其中與實(shí)測(cè)點(diǎn)距離最近的那一層作為參考對(duì)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(shí)測(cè)點(diǎn)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(huì)把B層誤認(rèn)為理論參考面，進(jìn)而產(chǎn)生誤差，因此再將數(shù)模導(dǎo)入軟件之后要對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行CAD層設(shè)置，如圖2所示。

圖2 設(shè)置CAD層

在汽車工裝中，有部分工裝是關(guān)于某個(gè)坐標(biāo)平面對(duì)稱的，工裝的數(shù)模也通常只給一個(gè)，因此在實(shí)際測(cè)量中我們要通過(guò)軟件的鏡像功能來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)模的對(duì)稱，從而由一個(gè)數(shù)模來(lái)完成兩套工裝的檢測(cè)和安裝調(diào)整。

2.2 建立工裝坐標(biāo)系

在測(cè)量過(guò)程中，把CAD模型導(dǎo)入測(cè)量軟件之后，數(shù)模自身會(huì)存在試件坐標(biāo)系，然而通過(guò)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)所獲取工裝零部件的點(diǎn)位信息是機(jī)器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，因此，要將數(shù)模與產(chǎn)品結(jié)合在一起，而結(jié)合的過(guò)程就是建立坐標(biāo)系的過(guò)程。

工裝坐標(biāo)系的建立其目的在于，將機(jī)器坐標(biāo)系與工裝坐標(biāo)系建立一種聯(lián)系，確保硬測(cè)頭的每一個(gè)讀數(shù)既是在機(jī)器坐標(biāo)系中的位置又是在工裝坐標(biāo)系中的位置。簡(jiǎn)單說(shuō)就是將機(jī)器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(平移加旋轉(zhuǎn))到工裝坐標(biāo)系中，使兩者完全一致。當(dāng)然在實(shí)際建立工裝坐標(biāo)系的過(guò)程中，不可能百分之百達(dá)到完全一致，因此在建立坐標(biāo)系之后，要對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證，只要滿足規(guī)定誤差要求即可使用。

建立坐標(biāo)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(diǎn)，各自均有特定適用的場(chǎng)合。

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

原理：迭代法實(shí)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(diǎn)3個(gè)部分。如圖3。

找正：假設(shè)找正的是Z軸，利用3個(gè)點(diǎn)元素的理論值和實(shí)際值擬合出一個(gè)坐標(biāo)系，通過(guò)反復(fù)移動(dòng)該坐標(biāo)系，使這3個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的矢量方向與Z軸重合，允許存在一定的夾角,進(jìn)而得到Z軸。

旋轉(zhuǎn)：假設(shè)旋轉(zhuǎn)得到X軸，只需選取兩個(gè)點(diǎn)元素即可，其它同找正相同。

原點(diǎn)：利用一個(gè)點(diǎn)元素不斷的擬合，最終通過(guò)原點(diǎn)制定出Y方向的零點(diǎn)。

圖3 迭代法建立坐標(biāo)系

2.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)就是基于工裝的公共點(diǎn)或公共特征求解出機(jī)器坐標(biāo)系和試件坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。即通過(guò)采集機(jī)器坐標(biāo)系和試件坐標(biāo)系下的公共點(diǎn)，利用公共點(diǎn)之間的位置關(guān)系計(jì)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(cè)量點(diǎn)，設(shè)其在兩個(gè)不同坐標(biāo)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(yīng)滿足：

其中與分別為兩個(gè)坐標(biāo)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(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣。

2.4 采集實(shí)測(cè)值

坐標(biāo)系建立之后，通過(guò)接觸式測(cè)量的方式獲取夾具的各檢測(cè)要素的實(shí)際測(cè)量值，再利用軟件計(jì)算出實(shí)測(cè)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(duì)夾具進(jìn)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(diǎn)

以產(chǎn)品數(shù)模為參考對(duì)象，在獲取定位塊表面的點(diǎn)位信息之后，軟件會(huì)在產(chǎn)品數(shù)模中對(duì)應(yīng)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(cuò)誤等原因?qū)е露ㄎ粔K安裝精度誤差過(guò)大，在軟件中顯示出來(lái)的實(shí)測(cè)點(diǎn)位置距離產(chǎn)品數(shù)模表面的距離會(huì)很大，超出軟件設(shè)定的尋找范圍，此時(shí)軟件會(huì)顯示無(wú)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(duì)象進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(wèn)題；還可以驗(yàn)證工裝上各零部件的安裝位置是否正確，進(jìn)而驗(yàn)證工裝數(shù)模是否設(shè)計(jì)正確；無(wú)需在花費(fèi)時(shí)間去檢驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后的工裝數(shù)模是否存在干涉等問(wèn)題，在實(shí)際測(cè)量中根據(jù)偏差過(guò)大的位置可以有針對(duì)性的在原始數(shù)模中的相應(yīng)位置進(jìn)行查看。上述問(wèn)題的解決，大大提高了工件的合格率，進(jìn)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(cè)過(guò)程中的應(yīng)用

以某型汽車車門工裝為例，使用關(guān)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(tái)的底板平面是三坐標(biāo)檢測(cè)的測(cè)量基準(zhǔn)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(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的安裝位置

首先分析工裝平臺(tái)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(tái)上的空閑位置、基準(zhǔn)塊的分布等。從而確定測(cè)量機(jī)的安裝位置。

最好的安裝位置是將關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)直接固定在測(cè)量臺(tái)上，這樣設(shè)備便與工裝成為一個(gè)整體，即使在工作過(guò)程中工作臺(tái)位置發(fā)生改變，設(shè)備與零件之間的相對(duì)位置也不會(huì)改變，即始終保持工件坐標(biāo)系與機(jī)器坐標(biāo)系是一致的。

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

3.2 導(dǎo)入CAD數(shù)模

將CAD數(shù)模導(dǎo)入三維測(cè)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(biāo)系的建立

工裝坐標(biāo)系建立的橋梁就是均勻分布在工裝臺(tái)上的基準(zhǔn)要素。建立工裝坐標(biāo)系時(shí)選取的基準(zhǔn)要素應(yīng)盡可能包圍全部關(guān)鍵檢測(cè)要素，也就是全部零件的測(cè)量特征應(yīng)該均處于所選取基準(zhǔn)要素的連線框里面。即滿足基準(zhǔn)包容原則。

在數(shù)模上抓取3個(gè)基準(zhǔn)孔的理論值，創(chuàng)建3個(gè)圓；

在工裝平臺(tái)上依次采集與數(shù)模上對(duì)應(yīng)的3個(gè)圓；

在創(chuàng)建圓特征時(shí)，要先采集3個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)平面，然后在采集4個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)圓。

最后通過(guò)迭代法完成工件坐標(biāo)系的建立，如圖6。

圖6 建立工裝坐標(biāo)系

驗(yàn)證坐標(biāo)系是否滿足要求：利用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)再次采集上述的3個(gè)圓，驗(yàn)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(gè)圓的實(shí)測(cè)值，進(jìn)入特征編輯界面，將3個(gè)圓的X、Y、Z值修改成之前的測(cè)量值，如圖7。反復(fù)進(jìn)行迭代直到滿足要求為止。如圖8。

圖7 修改基準(zhǔn)孔圓心理論值

圖8 檢驗(yàn)坐標(biāo)系偏差

3.4 夾具的調(diào)裝

在采集關(guān)鍵檢測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)之前，打開測(cè)頭模式中的“在CAD上查找理論值&僅點(diǎn)模式”。

3.4.1 定位塊的調(diào)裝

在定位塊的表面上直接采點(diǎn)即可，在報(bào)告窗口中觀察其偏差。

在采點(diǎn)過(guò)程中，探針測(cè)頭越小越好，越小越精確，因?yàn)闇y(cè)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(cè)頭也不容易使理論值查找到其他位置；

同時(shí)探針應(yīng)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(duì)于同一個(gè)面，觀察其偏差的時(shí)候，最好采集兩個(gè)點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)可以分布在對(duì)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(guò)多的點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)過(guò)多容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且不利于偏差方向的確定，為調(diào)裝帶來(lái)不便。

3.4.2 定位銷的調(diào)裝

先在數(shù)模上抓取要檢測(cè)的圓柱銷，利用自動(dòng)創(chuàng)建特征功能創(chuàng)建圓柱，再用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)在圓柱銷上采點(diǎn)，分兩層采集，

每層大概4個(gè)點(diǎn)即可。

3.4.3 零件調(diào)裝方向的確定

偏差值=實(shí)測(cè)值-理論值，所以如果某軸方向的偏差為負(fù)值，則零件應(yīng)該向該軸的正方向移動(dòng)，否則，向負(fù)方向移動(dòng)，偏差數(shù)值的大小即為移動(dòng)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(diǎn)，到目前為止，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的工裝夾具調(diào)裝方式，實(shí)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(rèn)可的高效率的檢測(cè)方法。以產(chǎn)品數(shù)模取代工裝數(shù)模作為參考對(duì)象的檢測(cè)方法，相比于典型的檢測(cè)方法，具有更高的準(zhǔn)確度，在工件的合格率和生產(chǎn)效率上都有顯著提高，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

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