基于CATIA V5和Geomagic Qualify的汽車零部件質(zhì)量快速檢測(cè)

陳 博，李秀梅 Chen Bo，Li Xiumei

（1.廣汽長(zhǎng)豐研發(fā)中心，湖南長(zhǎng)沙 414011； 2.北汽福田長(zhǎng)沙汽車廠技術(shù)中心，湖南長(zhǎng)沙 414011）

0 引言

1 汽車零部件的檢測(cè)方法

1.1 手工檢測(cè)

即借用常用的工具,如卷尺、直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺、深度尺進(jìn)行人工測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方法簡(jiǎn)單,測(cè)量效率高,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，檢測(cè)成本低。缺點(diǎn)是只能檢測(cè)二維數(shù)據(jù)。

1.2 專用檢具檢測(cè)

對(duì)零部件開(kāi)發(fā)專用的檢具,利用檢具上刻線、樣板刀、劃線銷、檢測(cè)塊對(duì)零件型面、輪廓、孔位、部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行檢查。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方法簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍區(qū)間較廣。缺點(diǎn)是測(cè)量效率低，需要開(kāi)發(fā)專用的檢具，檢具具有專一性，不能對(duì)零部件進(jìn)行全尺寸檢測(cè)，最終結(jié)果需要根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行綜合分析才能確定。由于主機(jī)廠除白車身外大部分零件為外購(gòu)件，零部件的檢具都為供應(yīng)商自行開(kāi)發(fā)使用，主機(jī)廠對(duì)采購(gòu)零部件質(zhì)量管控在空間上存在一定困難。

1.3 CMM

三坐標(biāo)測(cè)量現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于汽車零部件質(zhì)量檢測(cè)中，其類型分為固定式三坐標(biāo)、移動(dòng)式三坐標(biāo)。三坐標(biāo)測(cè)量也稱為接觸式測(cè)量，因測(cè)量過(guò)程中，探針需要與被測(cè)零件接觸，此檢測(cè)方法要求被測(cè)零件有一定剛性，同時(shí)測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)它進(jìn)行合適固定，以便機(jī)械探針能與被測(cè)部位接觸。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是測(cè)量效率低，受測(cè)量空間限制較大。

1.4 非接觸式測(cè)量檢測(cè)

非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理分為光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁波測(cè)量、紅外測(cè)量、攝影測(cè)量等方式。非接觸式測(cè)量利用某種與零件表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取零件的三維信息。因其不與零件接觸,無(wú)需對(duì)零件進(jìn)行固定。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍廣，測(cè)量精確，受測(cè)量空間的限制小，適應(yīng)性強(qiáng)，效率高，分析結(jié)果明朗。缺點(diǎn)是需要專業(yè)的檢測(cè)軟件進(jìn)行比對(duì)。

2 非接觸式測(cè)量檢測(cè)實(shí)例分析

在新車試制過(guò)程中，裝車現(xiàn)場(chǎng)反映發(fā)動(dòng)機(jī)熱水軟管裝配困難，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，最終問(wèn)題歸結(jié)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱水硬管上，該零件由1根金屬?gòu)澒芎?個(gè)板金支架焊接而成，是因?yàn)楹附訒r(shí)定位不準(zhǔn)還是焊接變形，還是單件存在質(zhì)量問(wèn)題無(wú)法從表面立即判定。此零件供應(yīng)商開(kāi)發(fā)有專用檢具，因檢具設(shè)計(jì)考慮不全，需要檢測(cè)區(qū)域無(wú)檢測(cè)塊，且檢具為總成檢具，單件無(wú)法在上面進(jìn)行檢測(cè)。基于以上原因，在此采用非接觸式測(cè)量方法對(duì)零部件進(jìn)行全尺寸檢測(cè)。

（1）零件的三維掃描

首先對(duì)熱水硬管總成作三維掃描以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，它的意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，即我們通常說(shuō)的點(diǎn)云。

（2）點(diǎn)云文件的后處理

激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行后處理，Geomagic Qualify是一款CAI（計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)）軟件，其點(diǎn)云后處理功能有限，為此需把點(diǎn)云文件導(dǎo)入到具有逆向功能的專業(yè)軟件中進(jìn)行處理。在此我們把點(diǎn)云導(dǎo)入到CATIA軟件中的Digitized Shape Editor模塊中進(jìn)行后處理。在CATIA V5中通過(guò)Insert｜import命令導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)，可同時(shí)選取多個(gè)文件以便拼接分區(qū)間掃描的點(diǎn)云,掃描文件格式支持Asc ii，Stl，Cgo等，點(diǎn)云導(dǎo)入后，通過(guò)Insert｜Cloud Edition｜Remove中的（Pick，Brush，Trap，F(xiàn)lood） 刪除點(diǎn)云中噪點(diǎn)和飛點(diǎn)，上述操作的目的是為了避免重構(gòu)后的數(shù)字化模型發(fā)生畸形，偏離實(shí)物原來(lái)的形貌。再通過(guò)Insert｜Mesh｜Mesh Creation中的3Dmesh對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角化，此操作的目的是為了后續(xù)比對(duì)觀察方便（圖 1）。

（3）利用Geomagic qualify軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)和零部件數(shù)模進(jìn)行比對(duì)

因Geomagic qualify與CATIA V5格式不兼容，比對(duì)前需把熱水管的數(shù)學(xué)模型由catiaprt格式轉(zhuǎn)換成軟件能夠識(shí)別的igs或Stp格式后再導(dǎo)入到軟件中，導(dǎo)入后需定義零件數(shù)模為參考模型，再導(dǎo)入stl格式的點(diǎn)云文件,定義點(diǎn)云為測(cè)試文件。點(diǎn)云對(duì)齊前，必須定義參考文件及測(cè)試文件，否則后續(xù)操作無(wú)法進(jìn)行。因三維掃描時(shí)樣件任意擺放，它和數(shù)模不在同一坐標(biāo)系下，無(wú)法立即比對(duì)。比對(duì)前需把點(diǎn)云和數(shù)模先進(jìn)行對(duì)齊。

“啊？媽，你怎么能讓她睡我們的床呢？”易非的火氣騰的一下就起來(lái)了，她有潔癖，一想到自己的臉、自己的皮膚挨著別人睡過(guò)的地方，她就要起雞皮疙瘩，可陳留在，又不好發(fā)作。

此款軟件為我們提供了4種對(duì)齊方式：特征對(duì)齊、最佳擬合對(duì)齊、RPS（Referenz Puckt System）對(duì)齊和手工對(duì)齊。

特征對(duì)齊主要應(yīng)用于外形規(guī)則零件，通過(guò)創(chuàng)建在模型和點(diǎn)云上對(duì)應(yīng)的特征擬合，達(dá)到數(shù)模和點(diǎn)云對(duì)齊。

最佳擬合對(duì)齊主要應(yīng)用無(wú)特征的自由曲面物體，車門玻璃適合應(yīng)用此對(duì)齊方式。最佳擬合對(duì)齊是軟件利用自身擬合功能，不斷地調(diào)整點(diǎn)云與數(shù)模匹配，直至他們重合部分最大化。

RPS對(duì)齊是基于參考點(diǎn)系統(tǒng)的對(duì)齊，RPS即汽車設(shè)計(jì)制造過(guò)程中貫穿前后的基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)，是目前在大眾汽車中應(yīng)用的一種定位體系，它被利用來(lái)保證汽車零部件尺寸穩(wěn)定性和零部件功能。適合于有定位孔、槽等特征的零件。

手工對(duì)齊是通過(guò)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)命令來(lái)人工調(diào)整點(diǎn)云使之與數(shù)模對(duì)齊。

根據(jù)所檢測(cè)零件的情況，在此選用特征對(duì)齊。特征對(duì)齊需要我們?cè)诙x為參考的CAD數(shù)據(jù)上找出相關(guān)的特征，此軟件能自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)、面、圓、圓柱、圓錐，我們可以根據(jù)所檢測(cè)零件的特征進(jìn)行合理的選擇，根據(jù)零件的安裝工藝，選擇2個(gè)安裝螺栓過(guò)孔及安裝貼合面為特征。可通過(guò)命令特征｜快捷特征執(zhí)行運(yùn)算，CAD數(shù)據(jù)上定義對(duì)齊特征后，需要在點(diǎn)云上創(chuàng)建與之相對(duì)應(yīng)的特征，此步驟可通過(guò)命令特征｜自動(dòng)創(chuàng)建執(zhí)行。此過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)所選的特征不合適或者錯(cuò)誤可以進(jìn)行更改及刪除。

對(duì)齊完成后即可執(zhí)行產(chǎn)品3D比較，通過(guò)分析｜3D分析來(lái)執(zhí)行運(yùn)算，最終的結(jié)果通過(guò)不同的顏色段（即色譜）來(lái)區(qū)分，根據(jù)檢測(cè)精度的要求，可以定義顏色的數(shù)量，顏色越多則顯示越精確，分析結(jié)果同時(shí)顯示最大偏值、最小偏值、正負(fù)偏值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（圖2）。

通過(guò)分析模塊中的創(chuàng)建注釋我們可以得出點(diǎn)云上的點(diǎn)相對(duì)于CAD模型上的XYZ的偏差及3D偏差值，使比對(duì)結(jié)果量化，而不是一個(gè)區(qū)間值。此結(jié)果可輸出EXCELE格式的表格（圖3）。

為確切地表述某一斷面的偏差情況，可以進(jìn)行2D比較，通過(guò)分析｜2 D分析來(lái)執(zhí)行計(jì)算。截面可以在數(shù)模的坐標(biāo)系中通過(guò)基準(zhǔn)坐標(biāo)系移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)變換，也可以通過(guò)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建截面截取斷面。

為便于觀察偏差狀態(tài)，可以把點(diǎn)云文件進(jìn)行隱藏。

Geomagic Qualify可根據(jù)操作過(guò)程自動(dòng)生成報(bào)告文件，文件格式包括PDF，WORD，HTML，EXCELE等多種格式，以便部門之間數(shù)據(jù)共享，其明顯的特點(diǎn)是PDF格式的報(bào)告文件可以進(jìn)行3D瀏覽，給會(huì)議演示提供了便利。報(bào)告文件格式可以根據(jù)企業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行編輯，使之符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化要求（圖4）。

從上面的分析結(jié)果我們可以確認(rèn)支架的焊接位置不對(duì)，可以初步判定焊接夾具存在問(wèn)題。彎管成型是否存在與數(shù)模不一致,需要重新單獨(dú)進(jìn)行比對(duì)。

為驗(yàn)證彎管是否符合數(shù)模，利用上述操作單獨(dú)對(duì)彎管進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。首先刪除CAD模型中的2個(gè)板金支架，需要?jiǎng)h除兩支架的點(diǎn)云。刪除支架的CAD模型及點(diǎn)云如圖5所示。

再次把CAD模型文件及點(diǎn)云文件導(dǎo)入到Geomagic Qualify中，按照上文中的步驟設(shè)定好參考文件及測(cè)試文件。根據(jù)所比對(duì)零件的特點(diǎn)，刪除支架后的零部件因沒(méi)有相關(guān)的孔及凸臺(tái)等作為對(duì)齊特征，在此我們選用最佳擬合對(duì)齊，再執(zhí)行3D比對(duì)（圖6）。

上圖分析結(jié)果顯示彎管存在偏差。按此步驟再分別對(duì)2個(gè)板金支架進(jìn)行檢測(cè)分析，以確定零部件整改的最終對(duì)象。

從以上分析可知，綜合兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)，我們可以快速判別零部件質(zhì)量問(wèn)題。避免CMM測(cè)量的繁瑣，生成的報(bào)告直觀明了，便于我們傳遞給零部件供應(yīng)商進(jìn)行確認(rèn)整改及內(nèi)部信息傳遞。實(shí)踐證明結(jié)合Geomagic Qualify和CATIA V5對(duì)零部件進(jìn)行非接觸式測(cè)量檢測(cè)，體現(xiàn)了專用檢具和CMM測(cè)量所不具備的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了檢測(cè)效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合工作實(shí)例,應(yīng)用Geomagic Qualify V12實(shí)現(xiàn)汽車零件品質(zhì)的快速分析。該軟件操作方便，結(jié)果準(zhǔn)確明了，在實(shí)際的品質(zhì)管理方面具有很好的應(yīng)用效果，為整車質(zhì)量提供了有力的技術(shù)支撐，也為汽車零部件檢測(cè)手段提供了一種新思路。

［1］王植槐，等.汽車制造檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2000.

［2］王永輝.基于非接觸測(cè)量的汽車零件品質(zhì)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006，35（1）：98-99.

［3］GEOMAGIC Inc..http://www.geomagic.com.

［4］鄒付群，等.基于Geomagic Qualify軟件的沖壓件回彈檢測(cè)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（2）：79-81.