基于光學(xué)測量數(shù)據(jù)的汽車虛擬尺寸匹配應(yīng)用

岑迪，李炯辰，陸淼

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，在汽車行業(yè)領(lǐng)域，光學(xué)測量不僅在逆向工程中應(yīng)用廣泛，在零部件等測量上也逐步推廣使用。

在零部件測量上應(yīng)用的光學(xué)測量屬于非接觸式測量，其主要有激光式、藍(lán)光式等類型，無論哪種類型的光學(xué)測量，相比傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量，其最大的優(yōu)勢為數(shù)據(jù)量全面、測量效率較高[1]。這為后續(xù)的尺寸分析提供了充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和高效的分析基礎(chǔ)。

汽車車身是由數(shù)百個不同沖壓件焊接并裝配而成，其零件繁多，結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，是一項(xiàng)很大的尺寸工程。車身尺寸匹配的誤差過大，不僅影響生產(chǎn)裝配工藝、車身質(zhì)量和性能，還會影響整車的外觀質(zhì)量和客戶滿意度，如密封性、開關(guān)流暢性、風(fēng)噪等[2]。因此，車身裝配質(zhì)量不僅是反映設(shè)計(jì)能力，同時也反映了制造廠家的生產(chǎn)和管理能力。在車身匹配中，門蓋等外覆蓋的尺寸匹配質(zhì)量是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中質(zhì)量問題的集中[3]。

利用了原始光學(xué)測量數(shù)據(jù)結(jié)合AMB（Aussen Meisterbock）評價理念，提出了基于光學(xué)測量數(shù)據(jù)的虛擬尺寸匹配，其可以在無實(shí)物零件裝配的情況下，對虛擬尺寸匹配狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)量評價，減少實(shí)物零件的試驗(yàn)分析損耗，縮短尺寸匹配評價的時間，有效提升尺寸匹配評價分析的效率。此方法從一定角度上拓展了光學(xué)測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，為尺寸匹配工程的提供了新分析手段。

1 車身外覆件的虛擬匹配

1.1 AMB（Aussen Meisterbock）

在整車廠的尺寸匹配分析中，AMB是一項(xiàng)評價和分析車身外覆蓋尺寸匹配的主要工具，可以對車身側(cè)圍、四門、尾門、翼子板等外覆蓋進(jìn)行尺寸匹配評價，其在車型預(yù)批量生產(chǎn)以及批量生產(chǎn)中都起著重要的作用。AMB示例，如圖1所示。其為一種測量支架，可以將車身外覆蓋按照特定方式進(jìn)行安裝并進(jìn)行質(zhì)量評價。

圖1 某車型AMB示例圖

AMB的評價主要流程：通過特定車型的AMB支架，將外覆蓋件按照設(shè)計(jì)圖紙要求的定位系統(tǒng)進(jìn)行裝配，并對裝配后零件進(jìn)行匹配尺寸的測量；根據(jù)平整度間隙等設(shè)計(jì)要求和客戶角度，對搭建后的AMB狀態(tài)進(jìn)行Audit評價。在整車制造廠中，Audit評價是整車質(zhì)控中重要的一環(huán)，專業(yè)評審員利用感官和測量工具，如手觸、間隙塞尺等，依據(jù)設(shè)計(jì)要求對一臺整車的尺寸匹配等方面進(jìn)行質(zhì)量評價，并通過抱怨點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)體現(xiàn)當(dāng)前車輛的質(zhì)量水平，抱怨點(diǎn)數(shù)量與質(zhì)量水平成反比。通過Audit評價方式，對AMB搭建零件狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)量評價，可以有效體現(xiàn)外覆蓋件尺寸匹配質(zhì)量水平。如圖2所示，即為Audit評價中某兩個零件間匹配的平整度間隙評價設(shè)計(jì)要求，如實(shí)際零件間匹配超出了設(shè)計(jì)公差，即被Audit評判為抱怨點(diǎn)。

圖2 某零件間尺寸匹配要求示例

此外，AMB不僅可以評價外覆蓋的尺寸匹配，還可以對整車外飾件進(jìn)行裝配評價。

1.2 虛擬匹配基本操作流程

由AMB的搭建流程可知，常規(guī)AMB主要基于實(shí)物零件，對零件裝配的人員和時間都存在一定的局限性。故利用全型面的光學(xué)測量數(shù)據(jù)，提出了虛擬匹配的思路。虛擬匹配常規(guī)理解為，通過實(shí)物零件的數(shù)字化，在虛擬三維環(huán)境中進(jìn)行與其他零件模型拼裝，從而進(jìn)行尺寸匹配分析[4]。

基于光學(xué)測量數(shù)據(jù)的虛擬匹配，由以下4個基本步驟進(jìn)行。

（1）需要確定測量方案，保證測量數(shù)據(jù)滿足后續(xù)的虛擬匹配。由于所需要評價的尺寸匹配是基于匹配型面，故所規(guī)劃的光學(xué)測量至少需要包括匹配面，在條件合適的情況下可采用全型面測量，便于后續(xù)深入分析。

（2）數(shù)據(jù)采集及保存，利用光學(xué)測量設(shè)備測量的光學(xué)測量數(shù)據(jù)以STL（STereLithography）格式的通用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。STL是光學(xué)測量數(shù)據(jù)的一種通用文件格式，可在不同光學(xué)分析軟件中使用。此外，得到的光學(xué)數(shù)據(jù)，后續(xù)需要通過光學(xué)分析軟件進(jìn)行虛擬拼裝點(diǎn)云，虛擬拼裝原則基于AMB原則，要求零件均在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的統(tǒng)一定位系統(tǒng)中，即以RPS（Reference Position System）點(diǎn)進(jìn)行虛擬裝配；對點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一定位系統(tǒng)RPS保存，可以減少后續(xù)對數(shù)據(jù)坐標(biāo)的重復(fù)操作，提高虛擬匹配數(shù)據(jù)處理的效率。

（3）虛擬匹配，利用前面獲取的光學(xué)數(shù)據(jù)，在光學(xué)測量分析軟件中，進(jìn)行全覆蓋件零件在RPS定位系統(tǒng)中的虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)虛擬尺寸匹配狀態(tài)，采用零件全型面擬合偏差輸出的方式呈現(xiàn)尺寸偏差狀態(tài)。

（4）專家對虛擬匹配狀態(tài)進(jìn)行AMB流程中的Audit評價，并對評價后的抱怨問題點(diǎn)進(jìn)行跟蹤和推進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)推進(jìn)。

如圖3所示為基于光學(xué)測量數(shù)據(jù)虛擬匹配的流程。

圖3 基于常規(guī)光學(xué)測量的虛擬匹配流程

1.3 虛擬匹配狀態(tài)評價變化區(qū)域

在零件尺寸狀態(tài)評價中，不同時期零件的狀態(tài)變化情況是重點(diǎn)檢查的項(xiàng)目。虛擬匹配中，利用了不同時期零件狀態(tài)的直接對比，可以快速檢查發(fā)生了尺寸變化的區(qū)域，然后針對這些尺寸變化，可以有目的性進(jìn)行尺寸匹配評價。

虛擬匹配檢查零件變化的邏輯為：在光學(xué)評價軟件GOM中，將老狀態(tài)零件光學(xué)測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型，即作為評價基準(zhǔn)；導(dǎo)入新狀態(tài)零件點(diǎn)云，進(jìn)行尺寸評價，即可直接輸出新老狀態(tài)尺寸對比，以0.5 mm作為尺寸公差，可以快速判斷尺寸變化點(diǎn)。新老狀態(tài)的零件均在零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的定位坐標(biāo)系下進(jìn)行光學(xué)評價，在同一坐標(biāo)系下，以老狀態(tài)數(shù)據(jù)全型面為基準(zhǔn)進(jìn)行全局?jǐn)M合，形成新老狀態(tài)對比尺寸色差圖。

如圖4所示為車門老狀態(tài)尺寸色差圖，圖5所示為新狀態(tài)尺寸色差圖。利用常規(guī)的尺寸分析方式，從這兩份報告上也可以進(jìn)行尺寸變化對比，但是可以看出在全型面上進(jìn)行尺寸對比，相對辨識效果較差，尤其在尺寸變化不大的情況下。其中色差圖中，如-1.82標(biāo)注即為此區(qū)域內(nèi)凹偏差1.82 mm；如+0.3標(biāo)注為此區(qū)域外凸偏差0.3 mm。

利用新老狀態(tài)的虛擬匹配方式進(jìn)行分析，對比色差圖如圖6所示。圖中可明顯看到方框匹配區(qū)域尺寸變化較大，可分析得到：方框區(qū)域?yàn)樾吕蠣顟B(tài)尺寸變化較大的區(qū)域，新狀態(tài)較老狀態(tài)有外凸。通過圖6的變化分析，再基于圖4和圖5單零件尺寸可進(jìn)行針對性的準(zhǔn)確尺寸分析。利用此方式，可以快速判斷哪些區(qū)域發(fā)生了尺寸變化，針對這些尺寸變化評判質(zhì)量狀態(tài)，如是抱怨點(diǎn)則需要進(jìn)行零件的優(yōu)化。

圖4 老狀態(tài)車門尺寸色差圖

圖5 新狀態(tài)尺寸色差圖

圖6 新老狀態(tài)對比尺寸色差圖

2 虛擬匹配質(zhì)量評價實(shí)例

基于上述描述的虛擬匹配方式，在某整車廠某車型在常規(guī)測量中，采用GOM公司的Scan Box測量設(shè)備進(jìn)行了門蓋零件的全型面光學(xué)測量，對側(cè)圍或者車身框架進(jìn)行了CMS（Coordinate Measuring Scan）三維激光掃描和Atline光學(xué)測量，測量規(guī)劃中對車身外覆蓋件均進(jìn)行了全型面測量。選取某一周次的零件光學(xué)測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬匹配。虛擬匹配后的車身尺寸匹配狀態(tài)如圖7所示，不同尺寸色差代表著不同的尺寸匹配狀態(tài)。

圖7 外覆蓋件虛擬匹配尺寸色差圖

基于AMB的評價原則，尺寸工程師可對區(qū)域做出尺寸匹配評價，以前后門匹配為例，如圖8所示中方框區(qū)域，前后門平整度匹配效果不佳，前門外凸1.3 mm，高于后門，根據(jù)匹配公差±0.5 mm，已經(jīng)超差，這是常見的尺寸匹配抱怨。

經(jīng)過了相關(guān)生產(chǎn)和規(guī)劃部門對前門零件狀態(tài)的優(yōu)化，間隔兩周后，對新狀態(tài)零件進(jìn)行評價。首先進(jìn)行了新老零件狀態(tài)的對比，從而快速了解零件變化區(qū)域，而對新狀態(tài)零件的評價也將主要針對變化區(qū)域。

如圖8所示，前門區(qū)域發(fā)生了較大變化，尺寸較老狀態(tài)內(nèi)凹0.9 mm。針對此變化，尺寸工程師可以進(jìn)行重點(diǎn)評價。根據(jù)圖7老狀態(tài)前后門的匹配情況，可以初步快速判斷出，此區(qū)域應(yīng)該有明顯尺寸匹配優(yōu)化。

圖8 新老狀態(tài)對比尺寸色差圖

最后，通過對新狀態(tài)的全車身虛擬匹配狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，如圖9所示，根據(jù)匹配公差±0.5 mm，匹配狀態(tài)在公差范圍之內(nèi)，可以判斷前后門匹配已經(jīng)得到改善。

圖9 新狀態(tài)尺寸色差圖

上述表明，可以在無AMB實(shí)物搭建評價的情況下，利用基于光學(xué)數(shù)據(jù)的虛擬匹配對零件尺寸匹配進(jìn)行預(yù)判，可以高效進(jìn)行零件尺寸質(zhì)量推進(jìn)，降低對實(shí)物零件、裝配人員和時間的依賴。此外，通過零件新老狀態(tài)對比的方式，可以快速判斷尺寸變化的情況，可以使虛擬評價更有針對性。

3 結(jié)語

提出了一種利用光學(xué)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬匹配尺寸分析的方法。其主要過程為，獲取光學(xué)測量數(shù)據(jù)，利用光學(xué)評價軟件進(jìn)行虛擬匹配，模擬出AMB匹配狀態(tài)下的車身外覆蓋件匹配狀態(tài)，并進(jìn)行專家虛擬評價，促進(jìn)尺寸質(zhì)量提升。其中，對新老零件狀態(tài)的光學(xué)對比方法，可以快速評價零件變化情況。通過某車型的實(shí)例應(yīng)用，此方法對常規(guī)光學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用和尺寸匹配工作，提出了一種快速和高效的新工作思路，可以有效推廣并實(shí)用。