關(guān)節(jié)臂掃描儀在復雜骨架焊接總成測量中的應用

梁偉 程森鋒 平穎超 王亞微 李忠順 周博 鄭家彬 李劍

摘 要：客車前圍骨架焊接總成結(jié)構(gòu)最復雜，焊接后的變形導致成品與設計狀態(tài)存在較大偏差，文章描述應用關(guān)節(jié)臂掃描儀和CATIA三維軟件，經(jīng)過測量、擬合和分析三個步驟，研究制造精度的檢測方法，以此提升客車的制造水平。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)臂掃描儀；CATIA；骨架焊接總成；測量

中圖分類號：U463.83+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0166-02

Abstract： The welding assembly structure of front frame of passenger car is the most complex， and the deformation after welding leads to the great deviation between the finished product and the design state. This paper describes the application of the joint arm scanner and CATIA three-dimensional software， and through the measurement， fitting and analysis of three steps， the measurement method of manufacturing accuracy is studied， so as to improve the manufacturing level of passenger cars.

Keywords： joint arm scanner； CATIA； skeleton welding assembly； measurement

客車行業(yè)內(nèi)普遍將車身骨分為六大片，分別是：前圍骨架焊接總成、后圍骨架焊接總成、頂蓋骨架焊接總成、左側(cè)圍骨架焊接總成、右側(cè)圍骨架焊接總成、地板骨架焊接總成[1]。前圍骨架焊接總成，是由多個橫梁和縱梁焊接形成復雜的空間框架，焊接后收縮變形嚴重；其中左側(cè)A柱和右側(cè)A柱為雙曲部件，定位困難；前圍骨架焊接總成與前圍蒙皮、前乘客門、前保險杠等諸多部件存在裝配關(guān)系，因此前圍骨架焊接總成的制造精度檢測，成為質(zhì)量控制中非常重要的一個環(huán)節(jié)，所以需要一套準確的、切實可行的測量方法。

1 基于關(guān)節(jié)臂掃描儀的測量

本文中提及的關(guān)節(jié)臂掃描儀由基座、關(guān)節(jié)臂主機、測頭、數(shù)據(jù)處理盒及電腦軟件組成[2]，具有簡單便攜，精準可靠的特點，適用于車間現(xiàn)場測量環(huán)境。

關(guān)節(jié)臂主機的每個臂可以圍繞關(guān)節(jié)自由旋轉(zhuǎn)，操作員手工移動測頭，末端的紅寶石接觸工件表面，操作員手工點擊確認被測量點，利用計算機上攜帶的測量軟件計算出被測點的坐標位置[3]，完整測量后形成點云數(shù)據(jù)，并可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

具體測量步驟如下：

將客車前圍骨架焊接總成固定在表面平整的工作臺上，并根據(jù)結(jié)構(gòu)進行有效的支撐和固定，以減少變形和位移。由于本文中提及的前圍骨架焊接總成，左側(cè)B柱、前圍頂上橫梁和右側(cè)B柱這三個零件的后表面處于同一平面上，因此將這三個件的后表面作為固定基準放在工作臺上。

本文中提到的前圍骨架焊接總成尺寸為1300mm×2500mm×3100mm（X向、Y向、Z向）[4]，超出關(guān)節(jié)臂掃描儀測量范圍，需要通過蛙跳技術(shù)（leap frog）完成同一坐標系下的多次測量[5]。蛙跳技術(shù)是通過三個蛙跳球過渡，移動關(guān)節(jié)臂掃描儀，使移動前后測量的所有數(shù)據(jù)坐標系一致，從而擴大使關(guān)節(jié)臂的測量范圍，用于測量大尺寸零部件[6]。

測量完成后將數(shù)據(jù)保存，并可另存成IGS格式數(shù)據(jù)[7]，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合。

2 基于CATIA的數(shù)據(jù)擬合

2.1 數(shù)據(jù)擬合基準點的選取

在前圍頂上橫梁的前表面設計一個直徑6mm以上的中心孔，此孔中心點處于基準Y平面，以此中心點為數(shù)據(jù)擬合基準點的優(yōu)點是：（1）在前圍頂上橫梁制件階段，此孔容易加工，并且精度好控制；（2）在現(xiàn)場測量階段，此孔朝上便于現(xiàn)場測量；（3）在數(shù)據(jù)擬合階段，使用軟件命令便于快速對齊。

2.2 數(shù)據(jù)擬合

具體擬合步驟如下：

基于CATIA軟件的裝配設計模塊，將測量數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)在基準點位置對齊。對齊后其他點與設計數(shù)據(jù)是有很多偏差的，如圖1所示，通過使用軟件中的旋轉(zhuǎn)命令，圍繞基準點具有多方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

將遠離基準點的某處局部重合完成數(shù)據(jù)擬合。在I處局部重合時，所取點在不同平面和曲面上，重合偏差應盡量趨近于零，起到完全限制以基準點為旋轉(zhuǎn)中心的自由度，以便后續(xù)對其他部位（下文以圖中II處為例）做定性分析和偏差值測量。應用此方法，局部重合的位置不是唯一的，可以通過多次選取比較，從中選取最優(yōu)擬合方案。

3 偏差分析

如圖2所示，以右側(cè)A柱與風窗下橫梁交匯處（即圖1中II處）為例，進行測量與分析。

對測量點進行編號。右側(cè)A柱外表面和前表面的測量點編號為：點A1、點A2、點A3、點B1、點B2、點B3，風窗下橫梁外表面和上表面測量點編號為：點C1、點C2、點C3、點D1、點D2、點D3。

基于CATIA軟件的裝配設計模塊中的測量命令，測量點與設計數(shù)據(jù)的偏差值，并記錄到如表1所示的表格中。

對表1中偏差值進行分析，依據(jù)經(jīng)驗偏差大于2.0mm的部位都需要分析，表1中涂顏色部分的曲面點B1、曲面點B2、曲面點B3在X方向偏差超過2mm，分別為4.94mm、6.41 mm、6.51 mm，表明右側(cè)A柱與理論位置偏差較大，局部有向車后方偏差的趨勢，這將導致右側(cè)前乘客門骨架洞口X向尺寸偏小，影響后續(xù)乘客門安裝時的匹配度，是嚴重問題點應予以改正。

曲面點D1在Z方向偏差超過2mm，而鄰近的曲面點D2、曲面點D3偏差小于2mm，表明風窗下橫梁的末端在上表面存在折彎變形，考慮到此橫梁上表面不是裝配面，不影響后續(xù)裝配，可以不作為問題點。

4 結(jié)束語

關(guān)節(jié)臂掃描儀在復雜骨架焊接總成的檢測中優(yōu)勢明顯，可應用于首臺樣件的檢測和指導焊接夾具的調(diào)試等方面。隨著對檢測方法更加深入研究與應用，將極大地提升客車骨架焊接制造水平，具有較大的實用價值。

參考文獻：

[1]劉開春.客車車身設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]林鏗.關(guān)節(jié)臂式坐標測量機的誤差分析與補償研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[3]孫增玉.關(guān)節(jié)臂式坐標測量機標定技術(shù)的研究[D].天津：天津大學，2008.

[4]GB/T 3730.3-1992.汽車和掛車的術(shù)語及其定義車輛尺寸[S].

[5]孫中升.關(guān)節(jié)臂掃描儀在大尺寸測量中的應用[A].2008年江蘇省計量測試學術(shù)論文集[C].江蘇省計量測試學會，2008：72-74.

[6]潘偉.關(guān)節(jié)臂掃描儀的校準方案與選擇[J].計測技術(shù)，2013（S2）：39-40.

[7]楊進.便攜式三坐標測量機在水輪機葉片檢測方面的應用[J].科技與企業(yè)，2014（14）：438.