基于ATOS Scanbox白車身編程及質(zhì)量分析

朱曉波 張孝昌 張宇晨

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

汽車生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝和總裝是構(gòu)成汽車生產(chǎn)的四大主要工藝。白車身焊裝過程中，零件裝配質(zhì)量至關(guān)重要，其質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)工藝能否順利進(jìn)行及最終的整車質(zhì)量。影響白車身裝配質(zhì)量的因素較多，包括沖壓件自身質(zhì)量、焊接工藝誤差、焊接熱變形、工裝夾具定位面及定位銷磨損等。通過白車身尺寸檢測，可以分析各因素對白車身質(zhì)量的影響。

早期白車身尺寸檢測通常采用接觸式測量（CMM）[1]、樣架檢測等檢測方法，獲得的白車身尺寸數(shù)據(jù)較少。如需獲取較密集的車身數(shù)據(jù)，檢測所用的時間將成倍增加，對測量室測量能力要求較高。隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了如激光跟蹤儀、手動式白光檢測設(shè)備，這些設(shè)備相較于早期傳統(tǒng)檢測方法，大大提高了零件測量及問題分析效率[2-3]。特別是在線測量技術(shù)的出現(xiàn)[4-5]，白車身尺寸批量監(jiān)控成為了可能。然而，無論是手動測量設(shè)備或者在線光學(xué)設(shè)備，都存在一些不足之處，比如手動測量設(shè)備對于整車測量效率相對較低；在線設(shè)備需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)對比以及某些特征測量精度有待提高。因此，追求離線測量的更高效、準(zhǔn)確，進(jìn)而提高測量頻次，滿足批量監(jiān)控需求，同樣是一種可選擇的研究方向。本文以ATOS Scanbox使用為例，介紹其主要硬件，包括測量頭、測量區(qū)域劃分及各區(qū)域可測量的零件情況；通過ATOS不同鏡頭測量效率及不同測量設(shè)備測量效率對比，介紹其在測量效率提升上的優(yōu)勢；最后通過質(zhì)量案例，分析Scanbox測量取代傳統(tǒng)后風(fēng)窗樣架檢測的經(jīng)濟(jì)性和高效性。

2 ATOS Scanbox主要硬件

2.1 測量區(qū)域概述

ATOS Scanbox主要分為3個區(qū)域：左側(cè)轉(zhuǎn)臺測量區(qū)1、中間線性軸測量區(qū)2以及右側(cè)轉(zhuǎn)臺測量區(qū)3，如圖1所示。

圖1 ATOS Scanbox測量區(qū)域示意

中間線性軸測量區(qū)由2個搭載ATOS 5X測量頭的八軸測量系統(tǒng)組成，如圖2所示。位于左側(cè)的八軸測量系統(tǒng)可以執(zhí)行左側(cè)轉(zhuǎn)臺測量區(qū)以及中間線性軸測量區(qū)的測量任務(wù)。位于右側(cè)的八軸測量系統(tǒng)可以執(zhí)行右側(cè)轉(zhuǎn)臺測量區(qū)以及中間線性軸測量區(qū)的測量任務(wù)。中間測量區(qū)域面積可達(dá)7 450 mm×3 050 mm，完全滿足目前白車身、底板、側(cè)圍、車頂?shù)却笮土慵臏y量。

圖2 八軸測量系統(tǒng)

左右側(cè)轉(zhuǎn)臺測量區(qū)各有1個旋轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺平板可固定測量支架。裝機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)臺平板尺寸為1 600 mm×800 mm。平板可以改裝，只要旋轉(zhuǎn)半徑＜1 500 mm即可。轉(zhuǎn)臺可測量四門兩蓋、翼子板等小型測量。轉(zhuǎn)臺測量區(qū)與中間線性軸測量區(qū)之間有自動門，當(dāng)中間線性軸測量區(qū)執(zhí)行測量任務(wù)時，自動門處于常閉狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 常閉狀態(tài)自動門

2.2 掃描測量頭

測量頭主要由2部分組成，用于攝影測量的Plusbox以及用于掃描測量的5X鏡頭。

目前搭配的ATOS 5X鏡頭為MV1000（測量體積為1 000 mm×750 mm×750 mm）的鏡頭，拍照幅面大，掃描同樣零件所用時間更短。

2.3 ATOS Scanbox測量效率提升

由硬件介紹可知，搭載ATOS 5X的Scanbox系統(tǒng)在測量效率提升上主要體現(xiàn)在測量時間和測量準(zhǔn)備時間的減少。

2.3.1 測量時間

在保證白車身測量精度的條件下，測量鏡頭測量體積越大，則測量同一臺白車身所需要的照片數(shù)量更少。下表為不同測量體積的ATOS鏡頭，測量同一臺白車身所需照片數(shù)量的差異，如表1所示。

表1 不同鏡頭下所需照片數(shù)量差異

根據(jù)每張照片拍攝時間及網(wǎng)格劃計算時間，可以得到不同測量鏡頭下白車身測量時間的差異，如表2所示。ATOS在用MV1000設(shè)備與激光（Hexgon CMS）掃描測量、三坐標(biāo)（CMM）接觸式測量時間的對比差異如表3所示。

表3 Scanbox與CMS/CMM測量時間對比

由表2可以得出，同一臺ATOS Scanbox下，MV1000鏡頭相較于MV700鏡頭測量效率提高11%，相較于MV500鏡頭測量效率提高27%。

表2 Scanbox不同鏡頭測量時間對比

由表3可以得出，ATOS 5X MV1000測量設(shè)備相較于CMM接觸式測量的測量效率提高61%，相較于CMS（激光掃描）非接觸測量的測量效率提高48%。

2.3.2 測量準(zhǔn)備時間

由前述測量區(qū)域介紹可知，在執(zhí)行中間線性軸區(qū)域測量時，轉(zhuǎn)臺區(qū)域自動門處于常閉狀態(tài)，此時可以進(jìn)行轉(zhuǎn)臺測量零件的準(zhǔn)備工作，包括吊裝支架、定位測量零件等。因此，合理安排中間線性軸區(qū)域和轉(zhuǎn)臺區(qū)域的測量，可節(jié)約較多的零件準(zhǔn)備時間，進(jìn)而提高測量效率。

3 ATOS Scanbox編程流程

ATOS Scanbox編程流程如圖4所示。編程流程主要包括：編程準(zhǔn)備、脫機(jī)編程、在線調(diào)試及程序重復(fù)性驗(yàn)收。

圖4 ATOS Scanbox編程流程

3.1 編程準(zhǔn)備

脫機(jī)編程前，完成相關(guān)準(zhǔn)備工作。

a.完整和準(zhǔn)確的虛擬測量室（VMR）。VMR需要與實(shí)際測量環(huán)境一致，以保證按照VMR生成的測量路徑在進(jìn)行實(shí)際測量時，測頭不會發(fā)生碰撞；

b.正確的測量支架和零件數(shù)模；

c.正確的測量點(diǎn)信息、功能尺寸及構(gòu)成點(diǎn)信息；

d.比例尺文件。比例尺用于攝影測量時參考點(diǎn)空間三維坐標(biāo)的計算確認(rèn)。

3.2 脫機(jī)編程

將VMR、零件和支架數(shù)模、比例尺及測點(diǎn)信息導(dǎo)入后，對每個測點(diǎn)定義測量原則。同時需要判斷測點(diǎn)實(shí)際測量方向與理論位置的差異，來決定偏差計算時是否需要對測點(diǎn)增加料厚。

3.3 在線調(diào)試

在線調(diào)試是用脫機(jī)程序進(jìn)行實(shí)際測量，并不斷優(yōu)化拍攝角度，調(diào)整拍攝參數(shù)的過程。將脫機(jī)完成的程序，生成測量路徑，對實(shí)際零件進(jìn)行掃描。然后對每個測點(diǎn)其拍攝點(diǎn)云質(zhì)量，進(jìn)行完整確認(rèn)，對不滿足點(diǎn)云質(zhì)量要求的測點(diǎn)，通過增加照片、調(diào)整曝光、增加參考點(diǎn)等措施，直到每個點(diǎn)的點(diǎn)云質(zhì)量滿足要求。

3.4 程序重復(fù)性驗(yàn)收

完成程序調(diào)試，所有測點(diǎn)都有數(shù)據(jù)之后，開始進(jìn)行測試程序重復(fù)性驗(yàn)收。規(guī)定同一零件連續(xù)運(yùn)行程序15次，95%測點(diǎn)評價方向測值變化≤0.1 mm，所有測點(diǎn)評價方向測值變化≤0.2 mm，該程序重復(fù)性驗(yàn)收合格。對測值變化不符合規(guī)定的點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后再次進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，直到滿足重復(fù)性驗(yàn)收要求為止。

4 ATOS Scanbox質(zhì)量分析

4.1 案例背景及經(jīng)濟(jì)性分析

白車身后風(fēng)窗尺寸檢測通常由后風(fēng)窗樣架來完成。該樣架是車間用于監(jiān)控后風(fēng)窗區(qū)域后蓋與白車身匹配情況的一種快速檢驗(yàn)工具。

通常情況下，車間現(xiàn)場檢測人員會對首末臺白車身進(jìn)行快速檢查，測量特定位置（如圖5所示的檢測位置點(diǎn)）的平整度及縫隙值。所有平整度及縫隙按照公差±1 mm要求進(jìn)行檢測并記錄。當(dāng)超過1倍公差，進(jìn)行尺寸預(yù)警；當(dāng)超過2倍公差，進(jìn)行尺寸報警并停線處理。

圖5 后風(fēng)窗樣架檢測位置示意

通過樣架檢測，存在如下3個問題。

a.費(fèi)用較高。包括樣架制造費(fèi)、人力成本、維保費(fèi)等；

b.檢測頻次較低；c.獲取的數(shù)據(jù)較少。

通過ATOS Scanbox對白車身后風(fēng)窗區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)編程及測量，實(shí)際調(diào)試完成后，只需10 min，即可完成該區(qū)域測量并輸出結(jié)果。同時，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量及位置可任意定義，掃描點(diǎn)云保存了后風(fēng)窗區(qū)域全部的尺寸信息，方便今后質(zhì)量問題的追溯。

ATOS Scanbox的使用可以大大提高白車身該區(qū)域的測量頻次，同時節(jié)約了人力成本、樣架制作成本和維保成本。

4.2 后風(fēng)窗區(qū)域尺寸監(jiān)控點(diǎn)定義

因ATOS Scanbox測量可獲取更多的尺寸數(shù)據(jù)信息。因此，相較于樣架監(jiān)控，可定義更多的尺寸監(jiān)控點(diǎn)來監(jiān)控后風(fēng)窗區(qū)域的尺寸情況。圖6為基于Scanbox測量所定義的尺寸監(jiān)控點(diǎn)。其中在車身拳頭角位置左右各定義2個監(jiān)控點(diǎn)；落水槽區(qū)域左右各定義3個監(jiān)控點(diǎn)；月亮灣區(qū)域左右各定義2個監(jiān)控點(diǎn)；車頂區(qū)域定義3個監(jiān)控點(diǎn)。監(jiān)控點(diǎn)定義兼顧了后蓋裝配時的尺寸要求。

圖6 基于Scanbox測量的后風(fēng)窗尺寸監(jiān)控點(diǎn)定義

4.3 風(fēng)窗區(qū)域局部坐標(biāo)系定義

由后蓋與白車身裝配關(guān)系可知，評價白車身監(jiān)控點(diǎn)的尺寸，無需得到其在整車坐標(biāo)系下的偏差，而用后蓋區(qū)域的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行尺寸偏差評價，更符合實(shí)車匹配。

通過3Z-2X-1Y建立后風(fēng)窗區(qū)域局部坐標(biāo)系。其中3Z由P3、P4和P7點(diǎn)的Z向坐標(biāo)組成，2X由P1、P2點(diǎn) 的X向坐標(biāo) 組 成，1Y由P7點(diǎn) 的Y向坐標(biāo)組成。P7點(diǎn)為P5與P6的中點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 后風(fēng)窗局部坐標(biāo)系定義

4.4 風(fēng)窗區(qū)域尺寸趨勢分析及預(yù)警

定義平整度和間隙公差為±1 mm。表4為測量得到的最近15臺后風(fēng)窗區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)的最大平整度和間隙值及過程能力指數(shù)（CP）值。

表4 監(jiān)控點(diǎn)平整度及間隙值統(tǒng)計表

從表4后風(fēng)窗的平整度結(jié)果可以看出，平整度最大偏差為-1.11 mm，為左側(cè)拳頭角下部監(jiān)控點(diǎn)2位置，而尺寸波動最大即CP最小位置為右側(cè)拳頭角下部監(jiān)控點(diǎn)17位置，CP=2.04；從縫隙結(jié)果可以看出，縫隙最大偏差為-1.16 mm，為左側(cè)落水槽中部監(jiān)控點(diǎn)4位置，而尺寸波動最大的為右側(cè)拳頭角下部監(jiān)控點(diǎn)17位置，CP=2.26。

通過尺寸監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，后風(fēng)窗區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)的平整度及間隙CP值均＞1.33，穩(wěn)定性較好。但拳頭角處的平整度整體趨勢往車身內(nèi)部偏，最大平均偏差為-0.85 mm，容易造成與后蓋匹配時該處平整度倒高；同時，落水槽處縫隙值均偏大，最大處平均值為-1.0 mm，容易造成與側(cè)尾翼匹配縫隙過大。將此監(jiān)控結(jié)果，通知相關(guān)部門關(guān)注整車匹配情況，并判斷是否需要對白車身進(jìn)行尺寸整改。

5 結(jié)論

本文基于ATOS Scanbox 8360測量設(shè)備，探討分析該測量設(shè)備在白車身測量時測量效率相較于其它設(shè)備提升的情況以及在白車身質(zhì)量問題分析上應(yīng)用。通過不同測量設(shè)備間的白車身測量時間可知，ATOS Scanbox測量設(shè)備比CMM接觸式測量的測量效率提高61%，比CMS激光測量的測量效率提高48%，白車身測量效率提升明顯。通過案例分析，ATOS Scanbox測量可代替?zhèn)鹘y(tǒng)樣架檢測，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性及高效性。后續(xù)將繼續(xù)探索ATOS Scanbox代替其他樣架檢測的可行性，以節(jié)約相關(guān)成本。