光學(xué)掃描測(cè)量技術(shù)在汽車(chē)沖壓覆蓋件尺寸優(yōu)化中的應(yīng)用

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光學(xué)掃描測(cè)量原理

光學(xué)測(cè)量技術(shù)集合了光電、圖像處理及邏輯學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)。它的基本原理遵循以下幾條定理：不共線的三點(diǎn)確定唯一的一個(gè)平面；三個(gè)在同一軸上的投影面能描述物體的唯一一個(gè)可視角；在讀取量筒或量杯時(shí)需要水平讀取，不能俯視或者仰視。例如，測(cè)量機(jī)有三個(gè)鏡頭，拍攝該零件時(shí)，相當(dāng)于在不同的角度拍攝零件，根據(jù)畫(huà)法幾何，不共軸的三個(gè)投影表述唯一可視角，也就是根據(jù)畫(huà)法幾何可以計(jì)算出該物體的位置。

但是由于零件表面可辨識(shí)的特征很少或不精確，必須使用一種可辨識(shí)技術(shù)，即投影技術(shù)，將可辨識(shí)的光斑投影在物體表面，從而得到物體表面的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。

通過(guò)粘貼的目標(biāo)點(diǎn)，將拍攝的不同位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到零件的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)對(duì)比點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)模理論位置，得到零件的偏差。

圖1 投影技術(shù)

與接觸式測(cè)量的對(duì)比

接觸式三坐標(biāo)測(cè)量是通過(guò)測(cè)頭傳感器及探針系統(tǒng)獲取零件表面坐標(biāo)值的設(shè)備，大量應(yīng)用于汽車(chē)測(cè)量行業(yè)。

光學(xué)測(cè)量對(duì)比接觸式測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)如下：

1）很高的測(cè)量效率。每次掃描可以生成上萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)，生成的點(diǎn)云可以和數(shù)模生成色差圖，更加直觀地查看零件偏差。

2）寬松的測(cè)量環(huán)境要求。接觸式測(cè)量機(jī)對(duì)溫濕度要求較高，需要專(zhuān)門(mén)的恒溫恒濕的測(cè)量間，而光學(xué)測(cè)量機(jī)可以在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中應(yīng)用。

3）簡(jiǎn)明的測(cè)量報(bào)告。光學(xué)掃描可以實(shí)現(xiàn)尺寸分析色差圖的報(bào)告，實(shí)際測(cè)量結(jié)果和三維數(shù)模理論值的偏差可以用不同顏色表述，偏差結(jié)果很直觀易懂。

汽車(chē)沖壓覆蓋件特性與測(cè)量難點(diǎn)

汽車(chē)沖壓覆蓋件是指覆蓋汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)，構(gòu)成駕駛室和車(chē)身的薄鋼板沖壓成形的外沖壓覆蓋件和內(nèi)沖壓覆蓋件。轎車(chē)常見(jiàn)沖壓覆蓋件有：擋泥板、頂蓋、車(chē)門(mén)內(nèi)外板、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外板及行李艙蓋等（見(jiàn)圖2）。

圖2 車(chē)身沖壓覆蓋件

汽車(chē)沖壓覆蓋件的形狀復(fù)雜、尺寸大，因此不可能在一道沖壓工序中直接獲得，有的需要十幾道工序才能獲得。沖壓覆蓋件沖壓的基本工序有：落料、拉深、修邊、翻邊和沖孔。落料工序是為了獲得拉深工序所需的毛坯外形。拉深工序是沖壓覆蓋件沖壓的關(guān)鍵工序，沖壓覆蓋件的形狀大部分是拉深工序成形的。修邊工序是為了切除拉深件的工藝補(bǔ)充部分，這些工藝補(bǔ)充部分只是拉深工序的需要，因此拉深后切除。翻邊工序位于修邊工序之后，它使沖壓覆蓋件邊緣的豎邊成形。沖孔工序加工沖壓覆蓋件上的孔洞，一般在拉深工序之后，以免孔洞破壞拉深時(shí)的均勻壓力狀態(tài)，避免孔洞在拉伸時(shí)變形。

汽車(chē)沖壓覆蓋件要求必須有很高的尺寸精度（包括輪廓尺寸、孔位尺寸、局部形狀等各種尺寸等），以保證焊接或者組裝時(shí)的準(zhǔn)確性、互換性，便于實(shí)現(xiàn)車(chē)身焊接的自動(dòng)化和無(wú)人化，也保證車(chē)身外觀形狀的一致性和美觀性。

汽車(chē)沖壓覆蓋件多為薄壁零件，由于零件的剛性不強(qiáng)，極易發(fā)生變形，并且零件經(jīng)過(guò)拉深后存在內(nèi)應(yīng)力，由于零件存在回彈。這對(duì)零件的測(cè)量提出了更高的要求，由于不同的夾緊方式，零件的狀態(tài)也會(huì)不同，因此，汽車(chē)沖壓覆蓋件的測(cè)量不同于一般零件的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)特殊的測(cè)量夾具進(jìn)行測(cè)量。

沖壓覆蓋件的工序件測(cè)量

1.沖壓覆蓋件工序件介紹

沖壓覆蓋件工藝設(shè)計(jì)即針對(duì)汽車(chē)沖壓覆蓋件的形狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)安排成形工序步驟。每個(gè)工序步驟會(huì)生產(chǎn)出該階段的工序件。沖壓覆蓋件一般需要4～6道工序，由落料、拉深、修邊、翻邊、整形及沖孔等組成。經(jīng)過(guò)多道工序生產(chǎn)的沖壓覆蓋件往往會(huì)存在各種尺寸問(wèn)題，為了優(yōu)化尺寸，往往需要分析工序之間的差異，需要對(duì)每一工序零件進(jìn)行分析測(cè)量，進(jìn)而找到問(wèn)題根源。因此工序件測(cè)量對(duì)與沖壓覆蓋件尺寸優(yōu)化非常重要。

2.工序件的建系及測(cè)量方法

為了保證各個(gè)工序件測(cè)量結(jié)果的可對(duì)比性，需要對(duì)工序件采用相同的測(cè)量基準(zhǔn)，使用同一坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量。建立坐標(biāo)系過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先使用孔元素，這樣能夠保證坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性。當(dāng)然，由于拉深工序件往往只有零件的大體形狀，一般沒(méi)有定位基準(zhǔn)孔，因此對(duì)于拉深工序件測(cè)量一般采用面測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系的建立，或者使用最佳擬合的方式建立坐標(biāo)系。

例如，某車(chē)型尾門(mén)內(nèi)板合邊面尺寸需要優(yōu)化，由于該零件存在扭曲，特別是零件下部回彈問(wèn)題，所以為了分析扭曲來(lái)自哪一個(gè)工序，需要對(duì)各工序生產(chǎn)的零件進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)對(duì)比各工序件之間的尺寸差異，明確優(yōu)化方向。

具體建立坐標(biāo)系過(guò)程如下：

首先選擇如何建立坐標(biāo)系，根據(jù)該零件的形狀特點(diǎn)，后續(xù)零件的測(cè)量要求，以及能夠體現(xiàn)出該零件下部回彈問(wèn)題，選擇如下方式建立坐標(biāo)系。

在零件Z向上選擇3個(gè)點(diǎn)，分別為Z1、Z2、Z3，其中Z3為ZA3、ZB3的中點(diǎn)。通過(guò)左側(cè)圓孔控制X和Y向，定義為X4Y6，通過(guò)右側(cè)的長(zhǎng)孔控制零件的X向，定義為X5（見(jiàn)圖3）。

其次搭建柔性支撐對(duì)零件進(jìn)行基本定位，由于需要考慮能夠體現(xiàn)出零件ZA3、ZB3區(qū)域的回彈，所以支撐選擇Z向3個(gè)支撐，除Z1，Z2外，在后側(cè)翻邊Z3處增加一個(gè)支撐點(diǎn)。使用柔性支具搭建支撐（見(jiàn)圖4）。

圖3 尾門(mén)內(nèi)板合邊面建系

圖4 柔性支具支撐

3.測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析

通過(guò)光學(xué)設(shè)備進(jìn)行掃描，獲取零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并按照定義的方法進(jìn)行坐標(biāo)系的建立。如圖5所示為各工序件的測(cè)量結(jié)果，可以對(duì)零件尺寸進(jìn)行對(duì)比分析。

通過(guò)對(duì)比測(cè)量結(jié)果，可以對(duì)零件各區(qū)域進(jìn)行分析，確定偏差來(lái)源的工序，明確優(yōu)化方向，提高優(yōu)化尺寸的效率。

將點(diǎn)云及數(shù)模導(dǎo)入polyworks分析軟件，做出該區(qū)域的截面線（見(jiàn)圖6），可以更直觀的看到零件各個(gè)工序間的變化趨勢(shì)。

對(duì)每一工序OP10-OP50零件的截面線進(jìn)行偏差分析，可以直觀的看出零件的變化過(guò)程（見(jiàn)圖7）。

圖5 工序件的測(cè)量結(jié)果

圖6 Polyworks截面線

圖7 截面線分析