大型點焊夾具幾何精度在線測量技術

唐大慶

(神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

在汽車車身制造中，車身大型點焊合裝夾具是確保轎車車身焊接總成幾何尺寸精度的重要工裝，這類工裝（點焊夾具）的精度對焊接車身殼體的幾何精度影響明顯。夾具精度測量是維護夾具精度、改善車身幾何精度的基礎工作。夾具在線三坐標（3D）測量技術（夾具不離開生產工位測量）是高效的工裝維護方式，該技術避免將夾具運到專用3D測量室進行測量，它能及時有效地對焊接工裝實施監控，在汽車夾具的制造和檢查測量中應用廣泛。

2 便攜式三坐標測量機的工作原理及軟件

2.1 便攜式三坐標測量機的工作原理

神龍公司點焊夾具的檢測設備——便攜式三坐標測量機選用的是法國ROMER公司開發的精密測量儀器（以下簡稱ROMER）。ROMRE便攜測量機能夠測量夾具元件的空間三維坐標值，將該值與產品數字化定義（或夾具的理論值）進行比較，得出夾具的三維空間坐標偏差，利用這些偏差值就可分析、調整夾具，以達到提高白車身幾何尺寸的目的。

便攜式三坐標測量機的基本原理是利用測量機探針獲取夾具定位元件坐標值，經過計算機的運算和處理，反映被測夾具的真實形狀和數值。

ROMER的測量校準精度是根據GDS軟件導引校準程序對測量臂進行自校準，維護時間短，簡單易用。其測量臂的單點重復性球精度±0.017，單點重復性錐孔精度±0.024，空間長度精度±0.034。

便攜式三坐標測量機相對于龍門或懸臂臺式3D測量機而言，雖然精度略低，但其機動性解決了大型夾具不能進3D測量間測量的問題，具有快捷、高效的特點，并能滿足夾具測量的精度要求。

2.2 坐標測量機軟件介紹

神龍公司三坐標測量機使用法國Metrolog II軟件，測量機臂與筆記本電腦建立通信聯系后，使用Metrolog II軟件測量和檢查零件、夾具幾何形狀精度，通過測臂按鈕能輕松實現模擬鼠標的功能。軟件采用Windows操作系統，窗口化顯示，它是標準MDI窗口屏幕的三維視圖，可以用視覺控制操作分層管理。此軟件的功能可輸入/輸出IGES、CATIA文件轉換，創建CAD表面的延伸面，并將測量數據分層顯示，同時可以與多種測量臂（Faro、Laika、Romer等）連接。

3 ROMER測量技術的應用

便攜式ROMER測量機在汽車制造業中主要用于維護夾具的精度，由于便于攜帶，也可用于到供應商處驗收夾具，如圖1所示。

圖1 便攜式ROMER測量機

3.1 數字化定義DFN（Definitionnumeriques）

DFN（定義）即產品設定的坐標理論值。這些理論值用來在視圖上繪出各種車身圖形，最終形成CAD模型文件。

測量夾具時，先打開CAD模型，再進行測量，測量程序自動將實測值與DFN比較得出被測物體的偏差值。運用CAD模型測量夾具通常要考慮是否有料厚補償、測量點的投影面是否正確等問題，如果料厚補償不對、投影面投影錯誤，在測量報告中會顯示夾具定位元件的幾何尺寸測量結果超差，但夾具定位元件的實際幾何尺寸并未超差，這是由于測量者失誤導致測量值顯示超差，即測量“歪曲”了夾具的真實狀態。這種情況在實際操作中時有發生，只有豐富經驗的測量技術人員才能分析判斷出尺寸超差的原因究竟是夾具加工裝配錯誤還是由于料厚補償不對和投影面投影錯誤。

料厚補償有三種值：正值、零、負值，它的具體數值是根據比較CAD模型和零件相對于測頭的位置（見圖2）來判斷的。

料厚的定義方向是根據比較CAD模型和零件相對于測頭的位置（見圖2）來判斷的。

圖2 料厚補償

當用CAD模型測量一個曲面沒有料厚時如圖3所示，當用CAD模型測量一個曲面有料厚時如圖4所示。

圖3 CAD模型測量一個曲面沒有料厚時

圖4 CAD模型測量一個曲面有料厚時

從圖4可知：測量時，當測頭接觸的測量面是理論數模（即數字化定義表面）時，料厚補償為零；如測頭接觸的測量面是非數字化定義表面（即數字化定義表面加一個料厚），這時分兩種情況：當測量夾具定位元件時（定位元件的定位面在非數字化定義表面），因測點穿過CAD模型（理論數模面），料厚補償為負（-），即夾具測量料厚補償為負；當測量車身零件非數字化定義表面時，因測點未穿過CAD模型，料厚補償為正（+），即測量零件料厚補償為正。

投影面的定義：測量點選擇投影面也相當重要（見圖5），投影在A面上得出l1點的正確測量值，投影錯誤則得出l2、l3點的錯誤測量值。測量人員必須具備正確判斷投影面的能力，否則會出現實物幾何尺寸正確而測量結果似是而非。

3.2 測量基準

圖5 投影面

在夾具上設置三個不在一條直線上且在測量臂范圍內的標準球作基準，如圖6所示，這種方式建立坐標系誤差小、制造周期短，已被廣泛應用于車身裝焊夾具上。

圖6 測量基準

3.3 坐標系

建坐標系共有六種方法，常用的有兩種：3-2-1建立法和三個中心點法。

3.3.1 3-2-1 建立坐標系

3-2-1建立坐標系方法是通過在基準表面上采集六個點（遵守6點定則），從而創建坐標系，如圖7所示。點1，2，3設定了x方向，這些點的坐標位置是x=-100；點4，5設定了y方向坐標，坐標是y=45；點6設定了z方向，坐標是z=50。

圖7 3-2-1建立坐標系方法

3.3.2 三個中心點建立坐標系的方法

三個中心點的方法也稱作三點坐標系法，是夾具上使用最多的建坐標系的方法，它通過測量三個元素對應于三個點(可以是球、圓、點中心的三維數值)，三個點的理論坐標值是已知的（或通過其他方式標定的），創建坐標系后，使得三個點在三維汽車坐標系中的值與理論坐標值盡量接近（見圖8）。由于基準的裝配精度存在微小偏差及測量人員技術的差異，導致構建坐標系后中心點理論值和實際值會有一些差距。如果基準點偏差較大時（大于0.2），就需重新建立坐標系。三個測量點的分布不能接近直線狀態，也不能布置在較小的范圍，否則建立的坐標系精度會很差。

圖8 三個中心點建立坐標系方法

3.3.3 坐標系的優化

如果所有定位元件均有偏差并且偏差大小方向基本一致，這時可以采用坐標系優化。坐標系優化是對已有的坐標系進行幾何變化，即坐標系按照坐標軸進行平移和旋轉。另一方面，坐標系的優化就是對夾具定位元件偏差進行優化，以便反映夾具真實的幾何精度。坐標系的優化常用于大型設備在安裝就位、底板水平調整后，夾具的基準發生變化的場合。

優化坐標系可以選擇以下多個自由度：完全優化(3個旋轉自由度+3個平移自由度)；平移優化(1，2或3個平移自由度)；旋轉優化(1個旋轉自由度+2個互補坐標軸的平移自由度)。

通過上述旋轉和平移后的值可以看見優化的狀況。如優化后的坐標系誤差顯示的值大于或等于0.2時，認為坐標系優化失敗。坐標系內最佳擬合點的選擇最好是夾具的6個方向主定位點。

3.4 測量報告

夾具測量報告為工程技術人員分析、評價某一設備或工序能力的符合性、車身幾何尺寸的精度提供依據。

圖9 圖形報告

測量報告分為圖形報告（見圖9）和文本報告。圖形報告直觀反映了被測夾具測量點的位置，不需要對照夾具圖紙來查找測量點的實際位置，提高了分析效率；文本報告以表格形式輸出報告，一般用于存檔文件。夾具維護技術人員可利用測量報告快速、準確地判斷夾具定位元件的實際狀態。

3.5 測量技術的應用擴展

用便攜式測量機可直接測量沖壓零件在夾具上裝夾前、裝夾后和焊接后的不同狀態，測量結果可以用于計算設備的工序能力和質量改進。

對于大的被測合裝夾具，選擇長臂或7自由度便攜式測量機來測量大型合裝夾具定位元件的空間幾何位置尺寸。

有些零件總成是用檢具進行檢查，受條件限制，檢具只能檢測有限的位置，而且無偏差值（僅用通止規測量）。ROMER可隨時對檢具上的焊接總成進行多部位測量并得到測量值。

4 發展方向

目前，便攜式測量機已開發出數碼相機拍照、激光反射等非接觸式測頭來采集測量數據，它廣泛用于汽車設計中對泥塑轎車、零件外型（特別是汽車座椅類軟性材料）的掃描，使之形成理論數字化的圖形；依靠測量臂設計者能掃描到任何的幾何學形狀的“點云”,使設計者能夠設計復雜的3D圖形模型。

激光跟蹤儀是新一代便攜式測量大空間物體的最佳測量儀器，如圖10所示。它采用超精密激光束，可測量長達35 m的物體，比其他任何方法都快速、可靠、精確。它使制造工程和質量控制人員可以現場即時、隨地的測量和檢查大部件、機械工具和其他大物體。在車身線、地板線合裝夾具安裝施工中，使用激光跟蹤儀測量設備能精確測量若干分體工裝定位基準的精度，確保總成精度，但價格昂貴，單機價格是便攜式測量機的3～5倍。

圖10 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀具有更佳的角度分辨率、重復性和精度，無需返回已知的參考點或抓住固定目標點，可直接連接激光束實現連續測量。近幾年來，隨著汽車制造技術發展，尤其在產品開發領域、產品逆向工程領域及產品質量檢測領域，針對復雜曲面的非接觸式三維空間掃描測量技術應用越來越廣泛。