三坐標(biāo)光學(xué)測量在汽車制造中的數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展

方階平

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

在汽車制造三坐標(biāo)測量行業(yè)內(nèi)，主流的測量技術(shù)有接觸式測量和非接觸式測量兩種。常用的非接觸式測量，應(yīng)用三角測距法和光速測距法，對(duì)應(yīng)藍(lán)光拍照式測量機(jī)和激光掃描式測量機(jī)。激光探頭結(jié)合CNC控制，實(shí)現(xiàn)了測量效率的飛躍式提升。超高的測量效率也為未來實(shí)現(xiàn)沖壓件在線測量提供了先決條件。光學(xué)測量不僅僅能大幅提升測量效率，其采集的大量信息，也為數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展奠定基礎(chǔ)。

對(duì)被測零件，進(jìn)行藍(lán)光拍照或激光掃描后，可以得到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的深度挖掘，可以實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)提取、折邊測量、虛擬匹配、仿真模擬、內(nèi)間隙測量和虛擬實(shí)驗(yàn)等功能。讓一次測量能夠被深入分析，充分發(fā)揮測量機(jī)的使用效率與作用。

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

首先，想要應(yīng)用數(shù)據(jù)，先要獲取數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)的獲取途徑如圖1所示，是通過測量設(shè)備對(duì)被測零件的數(shù)據(jù)采集得到的。接觸式測量采用探針打點(diǎn)式測量方式，獲取的是單點(diǎn)的坐標(biāo)信息，包含被測量點(diǎn)的唯一位置與方向的信息。而光學(xué)測量，是在一定區(qū)域內(nèi)，覆蓋規(guī)定密集度的采集點(diǎn)陣列，通常陣列設(shè)置為0.05mm×0.05mm帶寬。這些測量點(diǎn)密集的分布在被測零件上，包含非常多的位置與方向的信息。而我們通常使用的測量報(bào)告，只呈現(xiàn)了這些陣列在一個(gè)坐標(biāo)系下的非常少的一部分?jǐn)?shù)據(jù)表達(dá)。因此，可以認(rèn)為一次光學(xué)測量結(jié)果有很多種的展現(xiàn)方式，用來分析不同的問題。

圖1 拍照式測量設(shè)備和掃描式測量設(shè)備

其次，測量機(jī)所獲取的數(shù)據(jù)通常稱為“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)于應(yīng)用拓展至關(guān)重要。如圖2所示，兩種不同設(shè)備獲得的不同質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2，經(jīng)過實(shí)體化處理后的結(jié)果。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)1和點(diǎn)云數(shù)據(jù)2

由圖2可以明顯的看到點(diǎn)云數(shù)據(jù)2的圖像更細(xì)膩，更平滑，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)1的圖像有明顯的條紋感與褶皺。這兩份點(diǎn)云分別使用蔡司激光掃描EE2測量和GOM拍照式測量采集的同一零件信息。這種區(qū)別主要來自設(shè)備的采集原理不同。影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要原因有：一是設(shè)備的采集原理，如拍照式、激光掃描式等；二是設(shè)備的精度與狀態(tài)，如測量頭分辨率、設(shè)備老化、采集角度/距離等；三是環(huán)境因素，如強(qiáng)光和震動(dòng)等；四是被測物體因素，如反光，顏色等；五是設(shè)備參數(shù)設(shè)置，如激光頻率及分辨率等。

工欲善其事，必先利其器。為了數(shù)據(jù)的應(yīng)用拓展更準(zhǔn)確，首先需要保證采集的數(shù)據(jù)的“準(zhǔn)確性”和“適當(dāng)性”?！斑m當(dāng)性”就是根據(jù)需求選擇采集質(zhì)量，對(duì)于較為簡單的應(yīng)用拓展，普通質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就能夠滿足要求。而對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用拓展，例如特征線計(jì)算，就需要更高品質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。也就是說殺雞焉用牛刀。具體如何應(yīng)用與選擇，將在后文展開。

鈑金成型中的數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展

鈑金成型是指沖壓件的成型過程，在汽車制造過程中，沖壓工藝作為汽車工藝流程的上游過程，對(duì)于車輛產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。尤其是覆蓋件的尺寸，直接影響車輛外觀，是客戶重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)之一。在項(xiàng)目開發(fā)階段，通過對(duì)測量數(shù)據(jù)的深度分析與數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展，是可以清晰的指導(dǎo)模具優(yōu)化，節(jié)約開發(fā)時(shí)間與驗(yàn)證時(shí)間，提高開發(fā)效率，并起到節(jié)省開發(fā)經(jīng)費(fèi)的效果。

1.離線數(shù)據(jù)提取

離線數(shù)據(jù)提取是數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展里最基礎(chǔ)的一項(xiàng)功能，就是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取額外的測量點(diǎn)信息，包括表面點(diǎn)，切邊點(diǎn)和孔的位置和方向信息。通常的需求形式是加密測量（見圖3），在指定區(qū)域內(nèi)為了分析零件的變化趨勢，平均1mm的距離選取一個(gè)測量點(diǎn)。常用軟件有卡爾蔡司公司的“Caligo”測量軟件和“GOM”測量軟件，其自帶選點(diǎn)功能可以滿足選點(diǎn)需求。

圖3 加密測量報(bào)告

但在實(shí)際操作時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)（見圖4），加密測量點(diǎn)的測量結(jié)果會(huì)隨著計(jì)算范圍和計(jì)算設(shè)置的不同而有一定的區(qū)別，這就與非接觸式測量數(shù)據(jù)算法有關(guān)了。測量結(jié)果是根據(jù)設(shè)定范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過一個(gè)設(shè)定公式計(jì)算所得。這個(gè)設(shè)定的點(diǎn)云范圍過大，則受曲面曲率影響越大。如果這個(gè)范圍過小，則會(huì)出現(xiàn)沒有足夠數(shù)據(jù)參與計(jì)算，無法計(jì)算結(jié)果的問題。因此，對(duì)于汽車制造的建議計(jì)算范圍是直徑為1～1.5mm的圓形區(qū)域，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增減。

圖4 測量點(diǎn)計(jì)算范圍設(shè)置

通常，以表面點(diǎn)的計(jì)算為例，用不同的公式算法，能得到不同的結(jié)果。沖壓零件的表面通常是曲面。當(dāng)需要找到零件最高點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使用“極值點(diǎn)”算法，一個(gè)垂直測量點(diǎn)法向的計(jì)算平面沿法向方向靠近測量點(diǎn)，當(dāng)與點(diǎn)云首次相交，得到的測量數(shù)值為該點(diǎn)測量結(jié)果。當(dāng)需要檢測零件的形變時(shí)，為了排除干擾因素影響，通常使用“表面點(diǎn)”算法，將計(jì)算區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在法向方向進(jìn)行求平均值，得到的測量數(shù)值為該點(diǎn)的測量結(jié)果。

與此類似的還有圓孔的計(jì)算，應(yīng)考慮是內(nèi)切圓還是外接圓，是否有參考平面，計(jì)算深度是多少等等。這些算法的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和問題分許需求設(shè)定。

2.實(shí)體模型數(shù)字化對(duì)比

在日常生產(chǎn)中，常常會(huì)遇到交叉試驗(yàn)與對(duì)比試驗(yàn)。這時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)工件將不再是設(shè)計(jì)數(shù)模，而是若干零件中的一個(gè)。應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)體化方案，就可以將生產(chǎn)出的零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，制作成為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模，然后和其它零件掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比熱力圖，能更直觀發(fā)現(xiàn)他們之間的區(qū)別。這項(xiàng)功能同樣能運(yùn)用在逆向開發(fā)和數(shù)據(jù)保存工作中。

下面以GOM軟件為例，介紹如何進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型實(shí)體化。首先將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GOM軟件中，如圖5所示。

由圖5可以看見點(diǎn)云是離散的點(diǎn)，這些點(diǎn)能夠呈現(xiàn)被測物的形狀特征。然后就是將這些點(diǎn)連線變成面，進(jìn)行“點(diǎn)云多邊化”操作，如圖6所示。“點(diǎn)云多邊化”是將臨近的三個(gè)測量點(diǎn)連線組合成一個(gè)面，大量的小平面組合成一個(gè)大平面。多邊化之后就可以進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化了，得到的CAD數(shù)據(jù)（見圖7），就可以進(jìn)行下一步對(duì)比或試驗(yàn)工作了。

圖5 點(diǎn)云模型

圖6 “點(diǎn)云多邊化”和“CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化”

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的CAD數(shù)據(jù)

3.虛擬測量實(shí)驗(yàn)

每次零件測量完成后，能夠得到一份正式檢測報(bào)告。在分析零件尺寸問題的過程中，想要重新設(shè)計(jì)零件測量方法，則需要重新測量零件。如果得到零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們可以使用它進(jìn)行一部分虛擬測量實(shí)驗(yàn)，就能很快的得到所需的結(jié)果。

虛擬測量實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用場景有：改變零件建系方式；建系點(diǎn)虛擬尺寸優(yōu)化；局部區(qū)域最佳擬合；建立局部區(qū)域分析坐標(biāo)系；沖壓工藝模擬分析。

虛擬測量實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是，改變坐標(biāo)系建立方式，分析不同坐標(biāo)系下，同一零件的不同狀態(tài)。

首先要清楚坐標(biāo)系是什么？坐標(biāo)系是常用輔助方法，常見有直線坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系。為了說明質(zhì)點(diǎn)的位置、運(yùn)動(dòng)的快慢、方向等，必須選取其坐標(biāo)系。在參照系中，為確定空間一點(diǎn)的位置，按規(guī)定方法選取的有次序的一組數(shù)據(jù)。

通常以3-2-1建系法則為基礎(chǔ)，在零件上定義不同的基準(zhǔn)點(diǎn)，就可以得到不同的測量結(jié)果。例如在研究尾燈安裝區(qū)域尺寸問題時(shí)，如果在整車坐標(biāo)系下分析局部區(qū)域，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于尾燈區(qū)域遠(yuǎn)離建系點(diǎn)，誤差積累和零件受重力影響變形會(huì)導(dǎo)致尾燈區(qū)域超差。如圖8圖9所示，在實(shí)際裝配環(huán)境中，由于尾燈裝配關(guān)系只與尾燈安裝孔和相對(duì)應(yīng)臺(tái)階面有關(guān)，所以對(duì)于這類問題，在局部區(qū)域分析相對(duì)關(guān)系會(huì)更準(zhǔn)確。

圖8 側(cè)圍整車坐標(biāo)系

圖9 尾燈局部坐標(biāo)系

例如在分析機(jī)蓋內(nèi)板沖壓零件尺寸偏差時(shí)，零件固定在測量支具上時(shí)，主定位點(diǎn)與輔助定位點(diǎn)會(huì)將零件固定，固定點(diǎn)處偏差會(huì)被機(jī)械矯正至理論位置。此時(shí)零件的制造偏差將會(huì)被積累到其他區(qū)域，如圖10所示，Z1、Z2、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖。

由圖10可以看到，機(jī)蓋與前燈搭接處Z向偏低，在后續(xù)裝焊工藝后會(huì)出現(xiàn)機(jī)蓋前端Z向偏低引起的機(jī)蓋與前大燈間隙小等問題。但是，改變另一種坐標(biāo)系建立方式，從總裝裝配角度出發(fā)，則會(huì)有另一種結(jié)果，如圖11所示，Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖。

圖10 Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖

由圖11可以看到，此時(shí)機(jī)蓋與翼子板搭接處的形面Z向偏低，會(huì)導(dǎo)致機(jī)蓋到翼子板平順相關(guān)問題。這種測量方式模擬的是機(jī)蓋裝配時(shí)，只有四點(diǎn)與車身固定，及后端位于Z3，Z7處的兩個(gè)鉸鏈，與前端位于Z10，Z11處的鎖柱。通過兩種不同的分析方法，可以分析零件的修改量與最優(yōu)方案。

圖11 Z10、Z11、Z3、X4、Y6、X5建系熱力圖

折彎工藝質(zhì)量控制

沖壓零件的折彎工藝包括“懸空折彎（也叫三點(diǎn)折彎），模中折彎（也叫壓底折彎），翻板折彎，折邊與壓合（組合折彎）等”。沖壓的這些折彎工藝制造了不同弧度，不同半徑的曲面。三坐標(biāo)測量中，曲面測量一直是難點(diǎn)，傳統(tǒng)的打點(diǎn)式測量機(jī)只能通過在圓弧截面線上取三點(diǎn)，來擬合出與圓弧內(nèi)切的圓，從而粗略的得到圓角質(zhì)量參數(shù)，同時(shí)，對(duì)于較小半徑的圓角是無法測量的。但是使用光學(xué)測量能夠很好的解決這一問題。本文以測量難度最大的特征線測量為例，介紹光學(xué)測量在特征線測量中的應(yīng)用。

汽車車身是由曲面構(gòu)成，造型設(shè)計(jì)具有復(fù)雜的造型信息，結(jié)構(gòu)信息和工藝信息。特征線也是車型特有特征和重要識(shí)別標(biāo)值，往往特征線貫穿整個(gè)車身，所以其制造精度對(duì)于裝配搭接有重要影響。特征線的圓角是否銳利，也是重要的設(shè)計(jì)要求，其中體現(xiàn)了造型設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)表達(dá)。

然而，特征線與折邊不同，折邊圓角弧度通常大于或等于180°，可以清晰的識(shí)別出圓弧的起點(diǎn)與終點(diǎn)。但是特征線是往往小于45°，甚至小于30°的多段不同半徑值圓弧。因此測量難度非常大，需要識(shí)別圓弧起點(diǎn)與終點(diǎn)，還要提取足夠的中間點(diǎn)取擬合內(nèi)切圓，這時(shí)就用到了光學(xué)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，是能夠提取到足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。GOM軟件具有處理圓角測量信息的功能。制作特征線截面線如圖12所示。

圖12 制作特征線截面線

首先在特征圓弧數(shù)模上間隔做出與圓弧法向平面垂直的截面，我們將在這個(gè)界面上進(jìn)行特征抓取與計(jì)算。然后，我們在這個(gè)界面中，抓取圓弧的起始點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)，理論邊界點(diǎn)和最大曲率點(diǎn)，如圖13所示特征線截面線上數(shù)據(jù)抓取。

圖13 特征線截面線上數(shù)據(jù)抓取

然后就需要導(dǎo)入我們測量好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)了，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入GOM軟件，得到實(shí)際值與理論值的對(duì)比圖，圖中綠色為實(shí)際值，藍(lán)色為理論值，圖14所示為實(shí)際值與理論值對(duì)比。

圖14 實(shí)際值與理論值對(duì)比

最后，我們可以得到特征線的最大弧度值偏差，特征線角度值等信息，并且將這些特征應(yīng)用與開始建立的所有截面線后，可以得到整條特征線的信息，并制作成直觀的熱力圖和折線圖報(bào)告，圖15所示為特征線測量報(bào)告。

圖15 特征線測量報(bào)告

虛擬匹配中的數(shù)據(jù)應(yīng)用拓展

白車身虛擬匹配技術(shù)是通過電腦計(jì)算通過虛擬裝配的方式，來預(yù)測兩個(gè)零件裝配到一起后的相互關(guān)系與內(nèi)間隙，平順度等數(shù)值。光學(xué)測量在其中發(fā)揮了重要的作用，首先分別使用光學(xué)設(shè)備測量兩個(gè)零件，得到兩個(gè)零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬裝配。

本文以某車型左側(cè)機(jī)蓋與翼子板間隙大問題為例，如圖16所示，機(jī)蓋翼子板間隙的公差標(biāo)準(zhǔn)為3±0.5mm。如圖17所示，機(jī)蓋和翼子板匹配區(qū)域單件的公差均為±0.4mm，實(shí)測偏差值分別為-0.4mm和-0.35mm，從單件報(bào)告結(jié)果來看，機(jī)蓋與翼子板零件單件均在公差范圍內(nèi)，是合格的。利用虛擬匹配的方法進(jìn)行分析測量，在虛擬裝配后的模型上選取測量點(diǎn)，測量后生成報(bào)告，如圖18所示機(jī)蓋與翼子板的間隙過大，偏差為0.7mm左右，測量結(jié)果是超差的。針對(duì)此類問題，單件測量報(bào)告均在合格范圍內(nèi)，進(jìn)行匹配后，間隙結(jié)果超出公差。采用常規(guī)方法難以有效檢測，利用虛擬匹配技術(shù)，可做到快速識(shí)別與預(yù)警。且虛擬匹配報(bào)告中色差的變化能夠直觀的顯示出工件的偏差狀態(tài)。因此在汽車試生產(chǎn)調(diào)試期間以及量產(chǎn)過程中，采用虛擬匹配技術(shù)對(duì)可提高質(zhì)量檢測效率，降低尺寸質(zhì)量成本，具有重要意義。

圖16 機(jī)蓋翼子板間隙的公差標(biāo)準(zhǔn)

圖17 機(jī)蓋翼子板單件測量報(bào)告

圖18 虛擬匹配機(jī)蓋翼子板間隙測量報(bào)告

數(shù)據(jù)挖掘方向

三坐標(biāo)光學(xué)測量數(shù)據(jù)包含很多零件信息，某些時(shí)候可以當(dāng)作零件本身進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。未來，對(duì)于這些數(shù)據(jù)，還有許多內(nèi)容可以挖掘利用。例如和仿真軟件進(jìn)行結(jié)合，生成更精確的尺寸鏈信息，單件公差分配等等標(biāo)準(zhǔn)文件。如此取得的標(biāo)準(zhǔn)文件更具有可行性與適用性，能夠更好的降低制造成本。

更多的利用虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，檢查裝配關(guān)系，尋找問題根本原因會(huì)變得更為直觀，能精確定位肉眼無法看見的區(qū)域的干涉問題，同時(shí)節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間。

結(jié)語

在未來，光學(xué)測量的高效性結(jié)合測量支具的自動(dòng)化改造，讓沖壓件的在線測量變?yōu)榭赡?，同時(shí)數(shù)據(jù)鏈反饋的閉環(huán)設(shè)計(jì)，將能夠及時(shí)的將沖壓件尺寸缺陷反饋給沖壓設(shè)備進(jìn)行自調(diào)整，形成生產(chǎn)與質(zhì)量監(jiān)控的閉環(huán)，真正的實(shí)現(xiàn)智能工廠，未來工廠構(gòu)想。