白車身檢測(cè)平臺(tái)柔性化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

張昕，刁統(tǒng)武，何文斌

中國重型汽車集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250031

提高駕駛室白車身尺寸精度對(duì)一輛汽車的整體性能與質(zhì)量具有重要意義?，F(xiàn)階段對(duì)于車身尺寸檢測(cè)控制主要通過三個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行，即生產(chǎn)加工上線前產(chǎn)品部件尺寸檢測(cè)、生產(chǎn)過程工裝檢具控制檢測(cè)和車身下線全尺寸檢測(cè)。而車身下線全尺寸檢測(cè)最能體現(xiàn)車身的整體尺寸狀態(tài)，能夠反映車身全部關(guān)鍵尺寸、安裝點(diǎn)的精度生產(chǎn)保證能力，是衡量產(chǎn)品尺寸質(zhì)量水平的重要指標(biāo)。

目前車身下線全尺寸檢測(cè)主要通過兩大類測(cè)量工具。

一類為視覺追蹤、光感掃描類檢測(cè)儀器（見圖1）。利用光學(xué)影像技術(shù)，獲取工件的二維影像，再進(jìn)行精密測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)為檢測(cè)速度快、操作方便，無需與測(cè)量品接觸，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)為光感干涉處無法檢測(cè)，檢測(cè)死角多，靈活度較差，檢測(cè)精度低于指針式接觸檢測(cè)。適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單表面檢測(cè)，存在較大局限性。

圖1 光感掃描儀

另一類為懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（見圖2）。懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度高，可以達(dá)到 1μm，甚至更高。幾乎所有類型的尺寸測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x都可以進(jìn)行測(cè)量，通過構(gòu)造特征，更是可以對(duì)平面度、圓度、同心度等進(jìn)行檢測(cè)。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x使用的pc-dmis軟件，可以導(dǎo)入CAD數(shù)模進(jìn)行脫機(jī)檢測(cè)，具有測(cè)量速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，最適合測(cè)量駕駛室外表面結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是內(nèi)部懸臂不可達(dá)的地方無法檢測(cè)，該測(cè)量設(shè)備也是現(xiàn)在機(jī)械加工制造應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)設(shè)備之一。

圖2 懸臂指針式三坐標(biāo)檢測(cè)儀

三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

1.三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的基本設(shè)計(jì)原理

三坐標(biāo)檢測(cè)儀器檢測(cè)原理為獲取三維坐標(biāo)值，確認(rèn)檢測(cè)點(diǎn)的空間位置，故需要確定一空間“基準(zhǔn)點(diǎn)”（或零點(diǎn)），所有檢測(cè)尺寸均圍繞此基準(zhǔn)點(diǎn)空間坐標(biāo)比對(duì)參照，確認(rèn)距離此點(diǎn)的相對(duì)位置，以此確認(rèn)被檢測(cè)點(diǎn)是否在要求位置區(qū)間。同時(shí)在檢測(cè)過程中，檢測(cè)樣件如若發(fā)生移動(dòng)，則與坐標(biāo)“基準(zhǔn)點(diǎn)”失去關(guān)聯(lián)參照關(guān)系，前期檢測(cè)數(shù)據(jù)則不再具備參考價(jià)值，需全部作廢，重新檢測(cè)。同時(shí)對(duì)于每次建立坐標(biāo)“零點(diǎn)”不同，被檢測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)值也不相同。故為了消除上述情況，形成易于追溯的歷史數(shù)據(jù)，提高檢測(cè)精度、檢測(cè)速度和檢測(cè)過程穩(wěn)定性，三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，與三坐標(biāo)檢測(cè)設(shè)備緊密捆綁在一起，不可分割。

2.三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的基本構(gòu)造

三坐標(biāo)檢測(cè)夾具平臺(tái)主要由工作檢測(cè)平臺(tái)、白車身定位點(diǎn)、坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)三大部分組成（見圖3）。檢測(cè)平臺(tái)作為整體承重平臺(tái)及白車身定位的安裝面，必須保證足夠的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，重心低且框架設(shè)計(jì)板材較為厚重。

圖3 三坐標(biāo)檢測(cè)夾具平臺(tái)結(jié)構(gòu)

定位點(diǎn)是根據(jù)所檢測(cè)車身的整體結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)分析，以白車身底部縱梁定位孔為基準(zhǔn)，在檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)和白車身支撐點(diǎn)，在檢測(cè)白車身時(shí)，白車身底部縱梁定位孔落位于檢測(cè)平臺(tái)的定位點(diǎn)，以此限制車身位置，一般定位點(diǎn)均建立于白車身的工裝夾具主定位點(diǎn)，保證檢測(cè)定位與生產(chǎn)過程主定位為同一定位基準(zhǔn)，從而保證檢測(cè)精度及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、一致性及可參考性。檢測(cè)平臺(tái)上都會(huì)在設(shè)計(jì)初期，選取若干個(gè)固定檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，會(huì)明確標(biāo)明此處X、Y、Z三向空間坐標(biāo)，空間坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)可以幫助檢測(cè)儀器快速確認(rèn)空間坐標(biāo)“零點(diǎn)”，從而保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

白車身三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)技術(shù)進(jìn)化過程

1.固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)（見圖 4），即夾具定位基準(zhǔn)系統(tǒng)為固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾具利用率為20%，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本較低，整體結(jié)構(gòu)剛性好，使用壽命更長(zhǎng)，其固定式結(jié)構(gòu)不會(huì)存在定位基準(zhǔn)偏移從而影響檢測(cè)精度的情況，故檢測(cè)精度及穩(wěn)定性更好，組件不易損壞，適合質(zhì)量大的產(chǎn)品檢測(cè)要求。

圖4 固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的X、Y、Z三向基本無可調(diào)整空間，適用于圍繞單一系列車型進(jìn)行設(shè)計(jì)及使用。而現(xiàn)行業(yè)內(nèi)加工產(chǎn)線均面對(duì)多款甚至十幾款不同基礎(chǔ)車型，固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的局限性被逐步放大。每一款基礎(chǔ)車型都需設(shè)計(jì)加工一個(gè)專用固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)，設(shè)計(jì)加工成本加重。在檢測(cè)不同車型時(shí)，需要頻繁轉(zhuǎn)運(yùn)替換專用檢測(cè)平臺(tái)，造成大量轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間浪費(fèi)，同時(shí)多個(gè)檢測(cè)平臺(tái)的定置存放，會(huì)占用一定空間資源，維護(hù)保養(yǎng)工作量大，存在多重浪費(fèi)。固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)難以滿足中型或大型機(jī)械制造企業(yè)的生產(chǎn)加工模式，無法滿足檢測(cè)車型快速切換檢測(cè)要求，適合于產(chǎn)品款式單一的小型生產(chǎn)單元。

2.翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)（見圖5）相對(duì)于固定式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)，其主要突破點(diǎn)在于平臺(tái)夾具上安裝多個(gè)車型的檢測(cè)基準(zhǔn)定位，針對(duì)不同系列車身產(chǎn)品的不同結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不同的檢測(cè)定位基準(zhǔn)，均安裝于檢測(cè)平臺(tái)之上，通過氣缸（或手動(dòng)）翻轉(zhuǎn)（或滑動(dòng)）檢測(cè)定位基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)不同車型檢測(cè)。

圖5 三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)夾具定位基準(zhǔn)系統(tǒng)，理論上可滿足多款車型的檢測(cè)需求，降低空間資源浪費(fèi)，提升檢測(cè)速度。但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、組件較多且裝配位置緊密，限制了其檢測(cè)車型的數(shù)量，一般只可以滿足 2～3 款基礎(chǔ)車型的檢測(cè)要求，夾具利用率約為 30%～50%，存在一定檢測(cè)局限性。同時(shí)因檢測(cè)夾具無法全部同時(shí)使用，共用性不足，安裝多套定位夾具及氣缸等組件，成本較高，整體結(jié)構(gòu)剛性適中。

翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)雖然在檢測(cè)數(shù)量方面存在一定檢測(cè)局限性，但不可否認(rèn)是三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新突破，由固定單一式檢測(cè)平臺(tái)向柔性化結(jié)構(gòu)檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)化提升，為后續(xù)的旋轉(zhuǎn)式和多軸式三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了重要參考和借鑒價(jià)值，起到了非常關(guān)鍵的過渡作用。

3.旋轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

旋轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)（見圖 6）充分傳承了翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）檢測(cè)平臺(tái)的柔性設(shè)計(jì)理念，同時(shí)將車型切換由原來的氣動(dòng)或手動(dòng)切換發(fā)展到電氣自動(dòng)切換，突破檢測(cè)基礎(chǔ)車型數(shù)量受限的瓶頸，其將翻轉(zhuǎn)式（滑動(dòng)式）定位結(jié)構(gòu)優(yōu)化為風(fēng)車旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。

圖6 旋轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

旋轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)擯棄了翻轉(zhuǎn)式定位基準(zhǔn)氣缸（手動(dòng)）檢測(cè)車型切換模式，而是應(yīng)用電氣程序控制裝置，根據(jù)需要檢測(cè)的車型，使用電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)定位基準(zhǔn)的切換。因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)過程類似風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，故也叫做風(fēng)車式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)。

旋轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)相對(duì)于翻轉(zhuǎn)式定位結(jié)構(gòu)柔性化檢測(cè)水平實(shí)現(xiàn)較大提升，可滿足4～10 款檢測(cè)基礎(chǔ)車型的檢測(cè)切換，切換速度大幅提升，減少了檢測(cè)平臺(tái)的空間占用，雖結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)加工成本略高，無法實(shí)現(xiàn)同一定位結(jié)構(gòu)的共用性，且僅適合于車型定位基準(zhǔn)位置距離近，車型相似度的車型切換設(shè)計(jì)，但 4～10 款基礎(chǔ)車型的檢測(cè)切換完全可滿足中型生產(chǎn)加工單位的檢測(cè)需求，夾具利用率約為75%，是目前行業(yè)比較普遍應(yīng)用的一款白車身多車型共用三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)。

4.拆裝式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

為了繼續(xù)增加三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)可切換檢測(cè)車型數(shù)量，減少轉(zhuǎn)運(yùn)替換平臺(tái)的頻次，降低對(duì)于三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)加工成本費(fèi)用，拆裝式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)可滿足這一使用需求（圖 7），其主要特點(diǎn)為在檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)計(jì)多處夾具基座及定位夾具安裝點(diǎn)，根據(jù)各種車型設(shè)計(jì)其專用的夾具組合單元，當(dāng)需要進(jìn)行車型切換檢測(cè)時(shí)，在無需轉(zhuǎn)運(yùn)替換檢測(cè)平臺(tái)的情況下，將原夾具定位單元拆除，重新裝配需切換檢測(cè)車型適配的夾具定位組合進(jìn)行替換，其檢測(cè)車型數(shù)量可根據(jù)車體定位要求加工對(duì)應(yīng)的車體定位基準(zhǔn)。同時(shí)存在共用夾具和專用夾具，利用率約為 90%，切換柔性高，夾具的空間占用率低。但頻繁的拆卸及裝配過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易導(dǎo)致裝配安裝點(diǎn)疲勞損傷，降低其使用壽命，在測(cè)某一款車身時(shí)，其余夾具處于閑置狀態(tài)，夾具使用率低，且拆裝過程大多為人工方式，自動(dòng)化程度低，適用于大體積、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單車身的檢測(cè)工作。

圖7 拆裝式結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

5.三軸式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

翻轉(zhuǎn)式、旋轉(zhuǎn)式及拆裝式定位結(jié)構(gòu)相對(duì)于固定式定位結(jié)構(gòu)，雖然檢測(cè)柔性提升，可實(shí)現(xiàn)多款基礎(chǔ)車型的快速切換檢測(cè)，但是同一組定位在X、Y、Z三維空間內(nèi)仍無可調(diào)節(jié)空間，均未擺脫一款車型對(duì)應(yīng)一組夾具定位的限制，從而導(dǎo)致檢測(cè)平臺(tái)可切換檢測(cè)車型的數(shù)量受限，三軸式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)區(qū)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)徹底打破了這一行業(yè)瓶頸。

三軸式定位結(jié)構(gòu)在規(guī)定空間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無數(shù)個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)，其定位檢測(cè)精度高、靈活度更高，但其采購成本、維護(hù)成本更高。隨著自動(dòng)化、信息化、智能化的運(yùn)用，目前三軸結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)逐步投入到自動(dòng)化生產(chǎn)線檢測(cè)使用。

三軸式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)（見圖 8）徹底打破一款車型對(duì)應(yīng)一組夾具定位的瓶頸，一組夾具分別增加X、Y、Z三向移動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，針對(duì)不同車型的檢測(cè)基準(zhǔn)，檢測(cè)定位夾具可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三向可活動(dòng)調(diào)整（見圖 9），在X、Y、Z三向要求范圍內(nèi)，理論上定位點(diǎn)可移動(dòng)到任意位置，任何車型結(jié)構(gòu)均可檢測(cè)。但是每一組定位點(diǎn)存在無限種移動(dòng)空間位置，如何保證準(zhǔn)確移動(dòng)到需求位置是最大的控制難點(diǎn)。這則需要檢測(cè)平臺(tái)增加智能化控制設(shè)計(jì)，通過智能化程序控制每款車型檢測(cè)時(shí)，定位點(diǎn)自動(dòng)在X、Y、Z三向移動(dòng)，到達(dá)準(zhǔn)確位置，所以三軸/多軸定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)是一款智能化的三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)。

圖8 三軸式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)

圖9 三軸夾具定位原理示意

三軸式定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)在實(shí)際使用過程中，檢測(cè)車型可達(dá)N種，定位點(diǎn)可快速到達(dá)任意要求位置，實(shí)現(xiàn)了一組定位可滿足多款基礎(chǔ)車型的檢測(cè)需求。其定位夾具數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，車型切換速度快，靈活度非常高，夾具空間占用率低，夾具利用率100%，消除了多平臺(tái)設(shè)計(jì)、車型切換轉(zhuǎn)運(yùn)替換等資源浪費(fèi)。但是因其柔性過高，結(jié)構(gòu)裝配點(diǎn)較多，頻繁切換檢測(cè)車型，為保證其使用壽命，其結(jié)設(shè)計(jì)及制造加工要求更高，設(shè)計(jì)與加工成本高。

結(jié)語

三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)的定位結(jié)構(gòu)由固定式、翻轉(zhuǎn)式、旋轉(zhuǎn)式、拆裝式再到三軸式的發(fā)展歷程，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)切換車型由1款到N款的突破，是其檢測(cè)柔性和靈活度的進(jìn)化過程，反映出車身制造行業(yè)的產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)于尺寸控制工程的高度重視。在策劃設(shè)計(jì)三坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)時(shí)，要充分分析生產(chǎn)加工現(xiàn)狀及檢測(cè)需求，從切換檢測(cè)車型、夾具利用率、使用周期及壽命、切換柔性及后期可改造空間等因素綜合考慮，畢竟各種定位結(jié)構(gòu)的檢測(cè)平臺(tái)均具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與局限性，但其設(shè)計(jì)核心均在于提供穩(wěn)定且精準(zhǔn)的定位限位點(diǎn)，通過車身的尺寸精度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，滿足不同檢測(cè)產(chǎn)品與切換模式需求。

表1 各定位結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比