基于尺寸問題解決的白車身模擬調試方法

李嘉男，趙文正，鄧磊

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

高效和精確地保證車身裝配尺寸在當下汽車制造中至關重要，也是生產(chǎn)出符合客戶期望和高質量標準整車產(chǎn)品的關鍵。在涉及到白車身尺寸問題時，焊裝工裝夾具的調試存在多重挑戰(zhàn)，在發(fā)現(xiàn)白車身尺寸問題后的調試過程中，往往需要多次驗證調試結果，其中尤為復雜的是在不同裝配坐標系下尺寸的變化會受到不同的建系基準的影響，這種影響是無法預估影響的，其變化源自于裝配功能不同，建系點位不同，在數(shù)據(jù)累積迭代后的結果是無法預估的。因此涉及這種調整時往往需要多輪調試，很難快速定位到問題并精準地對問題進行調試，調試過程冗長，本文基于上述裝焊件基準調試相關問題展開研究。

研究方法

1.車身坐標系與尺寸監(jiān)控

整車坐標系是用于描述整車的整體幾何和尺寸關系。通常情況下，整車坐標系是由研發(fā)團隊在設計階段確定的，它作為參考標準為整車設計和制造提供了一個一致的基準框架。它定義了整車的原點和坐標軸，作為所有零部件位置、尺寸和幾何關系的基準，整車坐標系的確定性使得整車制造和裝配過程中的各個環(huán)節(jié)都能按照同一套標準進行操作。通常會通過測量整車坐標系下的關鍵特征來保證整車尺寸質量要求。

局部坐標系是相對于整車坐標系而言的，它是在整車制造和裝配過程中為了方便部件安裝和定位而定義的坐標系。在整車的制造過程中，局部坐標系針對整車的某個特定區(qū)域，常用于定位和安裝車輛的各個部件和組件，確保它們的正確位置和幾何關系。通過使用局部坐標系，可以準確地測量和調整各個部件的尺寸位置，有助于定位和排除裝配過程中的問題。如果在裝配過程中出現(xiàn)偏差或不匹配，操作人員可以使用局部坐標系進行測量和比對，找出問題所在，并進行調整和修正，保證整車的裝配質量。

白車身尺寸數(shù)據(jù)主要來源于測量，尺寸數(shù)據(jù)也就是通過測量獲取的相關測量特征的數(shù)據(jù)，測量特征是要測量的幾何元素，必要時可以通過計算確定。例如表面點、孔、邊、半徑及距離等[1]。在某主機廠日常尺寸考核與監(jiān)控中，通常以QZ分值作為考核要求，QZ分值是一種合格率的特殊表示形式，即超差測量特征占總測量特征的比例，通常在批量生產(chǎn)后，不合格測量特征數(shù)量不能大于8%，QZ考核所包含的測量特征的定義來源于功能尺寸目錄、夾緊和安裝概念、車身鈑金件的通用技術規(guī)范以及公差規(guī)范等，它的測量范圍（特征或測點數(shù)量）則由質量部根據(jù)這些文件確定。以車身Z23總成為例（不包含四門兩蓋的白車身），考核測量特征覆蓋整車坐標系與局部坐標系中的關鍵尺寸特征，不過在局部坐標系中約束的一些測量特征，在整車坐標系中不做公差約束。在實際生產(chǎn)中，成品車發(fā)生尺寸問題，追溯尺寸偏差源查詢車身報告時存在整車系下正常，局部系超差需優(yōu)化的情況，所以在后續(xù)的偏差分析中需考慮在不同坐標系下的偏差來源針對性地解決問題。

2.傳統(tǒng)尺寸調整過程

傳統(tǒng)尺寸調整步驟分為以下四步[2]：

1）送測。送檢車身進行三坐標測量，通常送測三套測量件，盡量避免偶發(fā)尺寸波動對調整判斷帶來影響。

2）偏差分析。對測量出的報告進行分析，初步判斷偏差來源，由于測量結果都會受測量基準的偏差影響，因此準確判斷出偏差來源對精準解決問題尤為重要。

3）確定調整方案。車身由不同的零部件拼接成分總成件，其后再拼接成總成，確定好結果中的偏差來源后還需要判斷具體需要調整的工位。

4）調整并送測驗證。調整后需要做件再次送三坐標測量驗證。

本文聚焦步驟2）和步驟3），當發(fā)現(xiàn)偏差后調整主要分為兩種情況：一種是尺寸偏差發(fā)生在某個具體的特征或區(qū)域，不論整車或局部系，可以直接調整工裝夾具的定位塊來起到優(yōu)化作用；另一種情況常發(fā)生在局部坐標系下的尺寸控制特征上，直接調整已到極限，無法滿足需要，綜合分析評估后發(fā)現(xiàn)局部坐標系基準旋轉導致整體偏移，需要調整局部坐標系的基準點位置，來保證相關區(qū)域的尺寸。由于車身鈑金件多為自由曲面，測量特征法向也并非與標準RPS的X/Y/Z方向吻合。對于需要調試基準的情況，基準點變化對車身形面的影響并不能確定，存在X向基準變動經(jīng)過整體旋轉后影響某區(qū)域Y向，并非簡單的X向偏差調整X向基準。如圖1所示，可見綠色側圍區(qū)域測點在法向上綜合了X/Y的影響，左下為整車RPS方向，所以對偶發(fā)問題或缺少調試經(jīng)驗的區(qū)域，調整后需反復測試來驗證是否達到優(yōu)化要求，需要的驗證時間會比較長。

圖1 車身側圍區(qū)域自由曲面上測點示例

為了優(yōu)化第二種情況調試驗證的過程，綜合考量各種評價分析系統(tǒng)軟件，采用蔡司Caligo測量軟件對測量點云數(shù)據(jù)進行處理，使模擬調試成為可能。

3.具體實施過程

具體實施第一步是收集實際問題區(qū)域測量點云數(shù)據(jù)。由于后續(xù)需要大量點云數(shù)據(jù)模擬，在車身測量時，采用激光掃描方式獲取車身數(shù)據(jù)，如圖2所示，應用蔡司Eagle eye掃描測頭，得到實車包括基準點位置以及問題區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。

圖2 Eagle Eye激光測量及Caligo中點云數(shù)據(jù)示例

第二步是基于測量軟件Caligo進行數(shù)據(jù)擬合。主要分析局部坐標系基準對問題區(qū)域的影響，通過Caligo提取點云數(shù)據(jù)中的基準點信息，進行RPS建系。RPS需要至少3個基準特征的6個方向進行擬合，比如3個Z向基準、2個Y向基準加1個X向基準[3]。基準特征來源于研發(fā)階段定義，提取特征后，在軟件中使用最佳擬合法，這里并非和整車坐標系建立方法相同。整車坐標系需要通過計算，對目標旋轉或平移，使定義方向上的誤差變?yōu)槟繕酥岛笸瓿勺鴺讼到?，而局部坐標系所應用的最佳擬合則是通過數(shù)學方法計算旋轉和移動工件，使實際測量數(shù)據(jù)與數(shù)模上的基準對應點之間距離的平方和最小化，直到所有加權誤差平方和最小則完成坐標系建立，不需要達到固定的目標值，如圖3所示?；谧罴褦M合的局部坐標系評價相應區(qū)域的尺寸偏差，分析數(shù)據(jù)變化。由于在局部坐標系應用最佳擬合，點云數(shù)據(jù)的存在使模擬調試成為了可能，通過在Caligo中對建系點理論值的變更，使建系基準點產(chǎn)生偏差變化，模擬實際調整的偏差值。在基于調整偏差值后的基準點重新通過點云數(shù)據(jù)擬合當前姿態(tài)的坐標系，在這個坐標系下再次評價相關測量區(qū)域測點就可以看到基準調整后的偏差影響。

圖3 Caligo中基準點表示及坐標系最佳擬合法示例

第三步就是基于模擬結果不斷試驗來確定生產(chǎn)實際需要調整的目標。由于基準偏移可以通過軟件實現(xiàn)，所以可以在無報廢成本的情況下進行偏差調整判斷，確認不同基準對相關測點偏差的影響程度，之后根據(jù)模擬結果選擇最貼合需要的調整方式，在現(xiàn)場進行實際調試，最后送車至三坐標測量檢驗調試是否滿足需要，經(jīng)過多輪驗證后證明此方法高效精準。

項目應用

在某工廠生產(chǎn)的某車型曾出現(xiàn)部分尾門到側圍平順高的問題車，缺陷率高達50%并且極難返修，只能導出下線進行返修，嚴重影響車輛交付。分析其根本原因時發(fā)現(xiàn)在車身尾門裝配的局部系下尾門平順超下差，對問題不利。但是在調試過程中發(fā)現(xiàn)其整車測量結果并沒有問題，相關位置工裝夾具針對調整沒有余量，判斷其為建系基準影響。

問題尺寸偏差更偏向Y方向，在過往實際現(xiàn)場調試中發(fā)現(xiàn)直接調整對應的Y向基準沒有效果。通過本文提供的方法，對現(xiàn)有尾門區(qū)域數(shù)據(jù)點云進行采集，基于Caligo軟件對基準點X3與Z5分別進行模擬偏差偏置。再根據(jù)偏置后的基準值重新擬合坐標系評估問題區(qū)域變化，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)X3的變化會影響相關位置區(qū)域。后續(xù)在生產(chǎn)中進行了實際的調試，如圖5所示，驗證了該基準變化會影響問題區(qū)域尺寸，從而快速解決了尾門到側圍平順高的問題。

圖4 尾門到側圍平順高問題Caligo中對基準點的偏移

圖5 尾門到側圍平順高左側調整前后

結語

本文創(chuàng)新表現(xiàn)為在實際問題出現(xiàn)后并沒有急于著手調整，而是通過現(xiàn)有的工具進行數(shù)據(jù)模擬分析，在通過數(shù)據(jù)分析后精準地定位到影響問題的點位，從而進行精準調整，避免因為非必要調整帶來的成本浪費，大幅節(jié)省了調整過程所需時間，也減少了調試零件的報廢，降低了成本。

后續(xù)會繼續(xù)通過已有的工具進一步開發(fā)數(shù)字化自動程序，對軟件方面的應用拓展進行深挖，實現(xiàn)自動化的模擬調試驗證，為序列化運行項目確認調整問題以及新項目調試繼續(xù)提供助力。