車身零部件尺寸測量支架智能化的研究與應用

白云亮，戴宏駿，田曉松，黃萃蔚

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201809）

1 前言與背景

隨著我國轎車市場在國際市場的占比逐漸增加，為了應對消費者對多樣化和個性化車型越來越高的要求，國內外各大汽車制造商推出新車型的節(jié)奏也隨之越來越快。同時，車身尺寸測量是各個汽車企業(yè)質量控制的要點與核心競爭力，如圖1所示，一輛車的尺寸控制水平會從漏水、功能、噪音以及外觀等方面直接影響用戶體驗，例如，密封條與車身的間隙如果偏大，可能引起漏水，如果偏小，可能引起關閉力過大；車門鉸鏈同軸度、門鎖的偏差可能引起門關閉功能的缺陷；車身內各鈑金之間的間隙過大，可能會引起焊點的失效，從而導致車輛在顛簸時產生異響等。

圖1 車身尺寸缺陷影響示意圖

在新車型的規(guī)劃過程中，各個沖壓單件和總成件的測量支架是必不可少的一環(huán)，目前各大主機廠主要采用的還是剛性測量支架結構，即每個測量支架只能用于指定零件的測量任務。由于車型的不斷累積，導致現(xiàn)在各種測量支架“堆積如山”，占用大量場地的同時又很難管理和維護，每年的維護維修以及車型更新?lián)Q代支架報廢造成了極大的成本提升。在使用過程中，由于測量需求必須“專件專架”，所以大部分時間是用在了支架的吊裝和調整中，導致測量效率低下、測量成本高等問題。同時，專用檢具的存儲空間大、整改困難、成本高等不足之處，必將越來越不適應汽車行業(yè)高效自動化的生產制造要求。

2 傳統(tǒng)測量支架的不足之處

測量支架是用于模擬裝車狀態(tài)的一種工裝，服務于三坐標測量設備或光學檢測設備等。由于測量支架主要用于產品的檢測過程，因此，對其精度的要求非常高。以用于測量一臺整車的測量支架為例，定位點的位置與預設位置的誤差不能超過0.05mm。正因如此，傳統(tǒng)的測量支架屬于精密機械的領域，要為每種車型量身設計定制，不但制造成本高，而且設計和制造周期長。

在日常的測量過程中，由于存在不同車型的測量切換，需要更換相應的測量支架，此時，會存在使用調度的工作量問題，通常更換一套白車身的測量支架，需要撤出和入庫現(xiàn)有支架，再從倉庫調出新的測量支架，最后，在測量設備的對應位置進行定位并標定后才能使用，這個過程往往需要長達幾個小時以上，費時費力。作為計量級設備的一部分，測量支架還需要妥善保存管理，而且需要定期保養(yǎng)、標定，為了滿足被測零件的測量需求，需要提前預備多個測量支架，維護和管理成本也非常高。

傳統(tǒng)測量支架的不足之處具體體現(xiàn)如下：

（1）設計和制造成本高。按照目前市場主流車型結構及檢測標準統(tǒng)計，平均一個車型的測量支架投資費用在200～300萬元左右。為了提升市場競爭力，滿足廣大受眾多樣化、個性化的需求，主機廠新車型更新迭代速度越來越快，那么檢測支架的費用就成了不可忽視的重要固定成本之一。

（2）存儲場地大。支架單體體積較大，且需要“專架專用”，即每個待檢測零件都需要一個特定的測量支架，日積月累導致我們需要大量的存儲場地，據(jù)統(tǒng)計，一個車型全部測量支架平鋪擺放至少100m2的存儲空間。

（3）使用效率低。傳統(tǒng)測量支架在被測零件更換過程中耗時耗力，甚至有些大型支架需要配備行車和專用吊具才能完成更換，使用過程中支撐及夾持位置需要手動多次才能調節(jié)到位。

（4）設計周期長。每個支架需根據(jù)被測零件的形狀，大小以及檢測方案進行專門設計，導致支架結構過于復雜，無法共用及延用。

3 數(shù)字化測量支撐夾持系統(tǒng)的主要內容

針對以上傳統(tǒng)測量支架存在的不足，本文介紹了一種數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)，其原理是將原來剛性化支架進行了柔性化設計，根據(jù)測量支撐夾持需求，將每個支撐夾頭設計為三向高精度可調結構，同時，通過多個可調立柱進行自由組合，從而滿足不同零件，不同支撐位置以及不同支撐數(shù)量的多功能測量支架系統(tǒng)。其調節(jié)過程與相應測量機互聯(lián)，可根據(jù)測量結果自動進行支撐點位置迭代補償，從而可快速自動化的完成測量支撐系統(tǒng)的準備工作。其軟件控制界面如圖2所示，整個支撐系統(tǒng)可根據(jù)軟件設置進行自由移動組合，根據(jù)被測零件的支撐位置坐標快速高精度地將支撐點運行至指定位置。該柔性測量系統(tǒng)硬件部分是通過多個柔性立柱組件組合而成，每根柔性立柱都可根據(jù)被測零件的形狀及支撐位置坐標，快速自動化調節(jié)其支撐點至指定位置并鎖緊。

圖2 數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)軟件界面示意圖

因此，一套柔性立柱系統(tǒng)即可滿足多車型及不同零件的測量需求，降低了存儲場地面積，省去了新車型開發(fā)“專件專架”的設計及制造成本。同時，由于其具有高度共用和延用屬性，可根據(jù)新車型或新零件的支撐和夾持方案，快速進行調整和組合，即可滿足其測量要求，所以大大地縮短了新車型項目周期。

數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)主要由4個模塊組成，如圖3所示，其工作原理為經初定位模塊完成初定位后，根據(jù)測量設備測量的結果，與目標值進行比對獲取偏差值，將偏差值輸入調節(jié)模塊，調節(jié)模塊帶動精確定位模塊完成精確定位。單個柔性立柱結構由上至下分別為：

圖3 數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)結構示意圖

（1）精確定位模塊。該模塊為整個測量支撐系統(tǒng)的核心部件，其與被測零件直接接觸，起到支撐或夾持定位作用，與支架主體部分通過快換機構進行連接，可根據(jù)被測零件定位點處特征（平面、曲面、孔等）進行快速切換。

（2）調節(jié)模塊。該模塊為整個系統(tǒng)最終精度提供保障，其三方向快速高精度調整主要由伺服電機驅動滾珠絲杠完成定位模塊的高精度尺寸位置調節(jié)。

（3）能源及控制模塊。蓄電池為整個機構提供動力，長續(xù)航的同時需要體積小，全負荷運轉情況下需要至少滿足一個班次的連續(xù)測量工作?？刂破鳛檎麄€機構的指令發(fā)送及數(shù)據(jù)處理中心，負責各個模塊的高效與高精度運行。

（4）初定位模塊。該模塊主要執(zhí)行機構為萬向輪機構，可根據(jù)場景選用自動模式或手動模式，特殊場景可使用手動模式，標準場景可采用自動模式，兩種模式都可快速根據(jù)被測零件種類和定位坐標值完成初始定位。

數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如圖4所示，單根立柱重量在70kg以內，重量遠遠低于傳統(tǒng)測量支架，同時，下部設計有萬向牛角輪機構，所以操作人員無須專業(yè)吊具和行車即可輕松靈活移動到指定位置；完成初定位后，定位模塊三方向的調節(jié)行程為X-100mm/Y-100mm/Z-200mm，三維系統(tǒng)精度為0.05mm，其調節(jié)行程和定位精度可滿足當前白車身及相應大部分零件定位要求；選用的三元鋰電池可提供超長待機，每周僅需進行一次充電即可滿足當周使用需求；同時，本系統(tǒng)配備了無線控制模塊，工程師遠程即可實現(xiàn)測量支架的調整及準備工作，為未來無人化測量室奠定基礎。

圖4 數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)技術參數(shù)示意圖

4 數(shù)字化測量支撐夾持系統(tǒng)的創(chuàng)新點

本項目從整車制造企業(yè)的實際需求出發(fā)，將現(xiàn)有測量檢具核心功能和傳統(tǒng)測量支架存在的弊端以及當前汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢重新梳理，最終確定測量支架柔性化方案，柔性化測量支架系統(tǒng)的優(yōu)勢是能夠通過一套測量支架系統(tǒng)完成多個零件的測量任務，可根據(jù)不同的被測零件快速地變換夾頭數(shù)量，精確改變夾頭位置，只需軟件中輸入支撐點位置坐標，柔性支架的各個模組即可在機械滾輪、滾珠絲杠等機械傳動機構的驅動下，同時，在專用軟件的實時計算和迭代下，精確運行至指定位置。相對原來傳統(tǒng)的固定一體式測量支架，柔性測量支架系統(tǒng)主要有以下創(chuàng)新點及優(yōu)勢：

（1）一套柔性測量系統(tǒng)即可完成不同零件的測量，降低了專件專架的測量支架成本，同時，減少了場地占用及多支架的維護成本。

（2）測量支架支撐點和夾頭位置可根據(jù)測量機反饋自行迭代調節(jié)，線性方向精度可達到0.02mm，三維空間精度達到0.05mm，取代人工的同時，提高了檢具精度。

（3）單個測量模組可根據(jù)被測零件支撐點位置信息快速完成初定位，無須行車或叉車輔助。

（4）支持無線充電和遠程控制，為未來的無人測量室奠定基礎。

5 數(shù)字化測量支架應用場景

目前，數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)已經應用于測量工作，并實現(xiàn)了預期的目標，技術參數(shù)均已達到設計要求，從測量精度和效率上來講，相比傳統(tǒng)測量支架工作效率提升約30%，存儲場地占用面積下降約20%。通過軟件使支架自動調整到指定位置，實現(xiàn)了數(shù)字化、柔性化、自動化，輕量化的設計初衷，降低了人員的工作強度；適用于多種車型多種零件的測量需求；通用化的支撐夾頭設計使支架更換便捷迅速。從整車制造企業(yè)的實際需求出發(fā)，在現(xiàn)有的檢具技術基礎上加入電氣化與無線控制等技術，實現(xiàn)了柔性檢具的自動化控制功能，其應用現(xiàn)場，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化智能柔性立柱系統(tǒng)現(xiàn)場應用示意圖

6 結語

白車身及零部件尺寸測量支架數(shù)字化的研究與應用是從整車制造企業(yè)的實際需求出發(fā)，將現(xiàn)有測量檢具核心功能和傳統(tǒng)測量支架存在的不足之處以及當前汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢重新梳理，最終確定測量支架柔性化、數(shù)字化方案。數(shù)字化測量支架系統(tǒng)的優(yōu)勢是能夠通過一套測量支架系統(tǒng)完成不同零件的測量任務，可根據(jù)不同的被測零件快速地變換支撐或夾頭位置及數(shù)量，只需軟件中輸入支撐點位置坐標，柔性支架的各個模組即可在滾珠絲杠等機械傳動機構的驅動下精確運行至指定位置。

在汽車制造業(yè)，無論是主機廠還是各大零配件供應商，尺寸檢測都是質量控制及質量提升的重要手段之一，尤其在白車身制造生產過程中，沖壓件的測量成本一直是困擾業(yè)界的重大問題之一，而測量成本中，專用測量支架的費用又占很大一部分。由此，本文中介紹的柔性測量支架系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，其高度的自動化和智能化也與工業(yè)4.0理念相符，具有一定的經濟效益與社會效益。