便攜式測量臂在白車身尺寸監控中的應用

張 博

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528000）

0 引言

白車身的生產和制造是現代工業制造的重要組成部分。白車身的主要生產流程：一些沖壓單件和外購件等金屬零件，經過裝配、焊接、涂膠等連接工藝構成分總成，再由多個分總成形成車身骨架總成，即汽車白車身。為了保證車身各組裝件和零件具備互換性，以及保證車身的外觀美觀，需要在加工及制造過程中控制沖壓件及分總成的尺寸，必要時使用一些監控測量手段。汽車白車身的組成零件多、結構復雜、剛性差、易變形，而白車身的裝配匹配狀態直接關系著整車的外觀和質量。由于各種主客觀因素都會存在各種各樣的誤差，因此尺寸的控制和監控手段就顯得尤為重要[1]。

好的監控手段可以在低投資和低成本的條件下穩定運行，并準確及時發現白車身的裝配尺寸問題，以避免更大的損失[2]。目前各大整車制造廠中，對于白車身尺寸的監控主要有以下3種手段[3]。

（1）檢具測量。檢具是通過機械加工和熱處理，制作白車身仿形塊來模擬整車裝配情況，從而檢測匹配狀態。這種檢測方案通常柔性較差，且在某些特殊情況下（如前端翼子板的測量）無法進行定量偏差檢測，但優點是投資低，現場操作簡單，檢測結果較為直觀。

（2）非接觸式光學測量。非接觸式光學測量是光電技術與機械測量結合的測量技術，通過利用計算機技術，可以實現快速、準確地測量，而且更有利于記錄、存儲和分析測量數據等功能。這種檢測方案多用來檢測單件和外覆蓋件的表面狀態和尺寸狀態，柔性高但投資成本高。

（3）接觸式三坐標測量。是通過設計一套自動化的測量頭系統，利用該系統進行測量零件表面點三維坐標的一種測量方式。這種三坐標測量具有精度高、速度快、柔性好、數據處理能力強等特點。目前用于整車測量較多的是懸臂式三坐標測量，這種測量方法需要較為苛刻的測量環境和定位精度，且測量時間相對較長，僅用來作為問題分析，而非批量監控使用。

在白車身生產領域中，目前最先進的前端檢測技術為白車身在線測量系統，它能夠對白車身外覆蓋件間相對間隙平度進行100%測量和監控；但對于類似翼子板這種需要監控車身兩側相對位置的尺寸仍存在無法測量的局限性，且設備投入成本較高[4-5]。本文研究利用便攜式三坐標和光學掃描測量結合的方式，測量白車身前端翼子板裝配狀態，并與懸臂式三坐標測量結果進行對比，從而驗證該測量方式的準確性和可靠性，利用低成本方案解決批量生產現場的前端監控問題，特別是在柔性化多車型共線的生產車間，采用該檢測方式能夠大大節省成本投資。

1 方法和測量原理

為了使用低成本方案解決白車身批量生產中的前端監控需求，考慮采用測量原理類似但成本更為低廉的便攜式測量臂和激光掃描測量結合的方式。但需要考慮的是，懸臂式三坐標能準確記錄測量頭在X、Y、Z方向上的位移量，因此能準確識別測量點的偏差情況；但便攜式測量臂僅能識別最終位置的空間坐標，當被測量件有變形或尺寸偏差時，人工操作在測量非特征點（曲面點）時無法準確識別測量點位置，因此需要選取特征點來建立坐標系，通過非接觸式的激光測量頭來保證被測量點的準確位置。

1.1 便攜式三坐標測量臂和激光掃描頭的測量原理

三坐標測量臂是一種通用性極強的測量設備，如圖1所示。工作原理：用若干個點表征待測的工件，然后在工件上測出這些點的實際坐標，對測得的坐標值進行既定的數學運算，從而得到被測工件的尺寸[6]。

圖1 便攜式三坐標測量儀和測量頭分類

柔性三坐標測量機主要是通過測量機末端安裝的接觸式測頭來接觸被測工件，測量臂的各關節和臂身處安裝有角度傳感器、溫度傳感器、應變傳感器及單片機組成的智能傳感器單元，經過測量機內部的傳感器將觸發信號轉化為電信號，最終輸出測量數據[7]。

接觸式測量頭的測量方法都是通過測頭測端與被測工件接觸，采集被測表面的輪廓點，進行數據處理后，從而獲得被測工件的表面輪廓信息[8]。但是由于該類測頭測端有一定的大小，所以難以對一些尺寸小的孔，槽或圓弧進行測量：另外，該測頭在測量時有一定的測量力，對一些質軟易碎的工件進行測量，可能會導致此類工件的變形。而對于便攜式的測量臂，需手動進行測量點位置的拾取和測量，在測量一些曲面時就無法避免產生拾取測量誤差[9]。基于這種情況，非接觸測頭的研究就變得十分重要。其中，采用光學方法的非接觸式測頭可以彌補接觸式測量的這些缺點[10]。非接觸測頭是依據光學三角形測量原理[11]：利用具有一定幾何形狀的激光（如點、線、面光源），投射到被測工件表面上，形成的反射光點（光條）被圖像傳感器接收，根據光點（光條）在被測工件上成像的偏移量，以及與被測物體基平面、像點、像距等之間的關系，按照三角幾何原理算出被測物體的空間坐標[12-14]，如圖2所示。

圖2 點光源和線光源測量原理

1.2 懸臂式三坐標測量原理

如圖3所示，懸臂式三坐標測量機（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一種固定在地面上，能產生至少3個線位移或角位移，且3個位移中至少有1個線位移的測量器具。它是通過測頭傳感器的觸發來獲得其空間坐標值，然后對坐標值進行分析計算獲得測量的結果，進而對工件進行評價。

其基本測量原理也與便攜式一致，所不同的是由控制系統驅動的測量系統在測量范圍內沿X、Y和Z軸移動，計算機控制程序中邏輯板能準確計算出運動軌跡，將偏移量送到驅動器上并通過比較軸的移動來檢查運動的正確與否（測速與計數）；當測頭與工件接觸時，邏輯板記錄下測量點的位置并把它送到用于進行程序指令處理的計算機中；測量的結果被按照操作者選擇的格式顯示，如果必要，可以將它保存并進行處理。相對于便攜式三坐標測量儀，它排除了人員操作的誤差，具有更高的測量精度，但相應成本高且測量過程較為漫長，一般用于整車的尺寸問題分析。

圖3 懸臂式三坐標測量設備

2 試驗驗證

便攜式測量與懸臂式測量的測量原理基本相同，理論上除了設備本身的精度區別外，所得測量結果應該完成一致。通過測量試驗進行驗證。

為了準確對比兩種測量方式的測量結果，使用控制變量法，控制相同的外在因素條件，使兩種測量方式的車身固定方式、建系點和約束條件、測量點完全一致的情況下進行分組測量；所不同的是測量設備，即懸臂式三坐標和便攜式三坐標的固定方式和拾取點測量方式不同，如圖4所示試驗所用兩種測量設備參數對比如表1所示。

圖4 現場試驗測量

表1 測量設備參數對比

從批量生產中隨機抽取5臺裝配完成的白車身，通過白車身的測量固定支架固定白車身后，利用懸臂式三坐標進行白車身的左右翼子板前端尺寸測量；懸臂式每測完一臺車，通過重型三角架固定便攜式三坐標在車身前端處，手動操作掃描此臺車的前端翼子板尺寸狀態。建系點選取為左、右端板件上3個RPS孔，測量點選取翼子板與大燈匹配的虎口和下方共14處，分別測量平度和間隙，如圖5、圖6所示。分別采用兩種測量方式，測量5臺白車身翼子板狀態數據，對比測量結果。

圖5 測量建系約束點

圖6 翼子板上測量監控點位置

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

將5臺白車身分別編號為01～05，測量結果對比見下方曲線圖中，對比曲線分別為便攜式三坐標測量臂通過激光掃描頭掃描測量獲得結果和懸臂式三坐標測量獲得結果。左右側平度和間隙點分開對比，5臺樣本車，每臺車測量56個點。間隙測量結果對比如表2所示，表中可以看到兩種測量結果基本保持一致，最大誤差僅有0.16 mm。平度測量結果對比如表3所示，可以看到兩種測量結果一致度更高，最大誤差也僅有0.16 mm。

表2 間隙測量結果對比

表3 平度測量結果對比

3.2 結果分析

對于這幾組測量數據，兩種測量方法間的差值進行標準差計算，可以發現5臺不同白車身的兩種測量結果偏差值整體標準差數量均處于較低水平（最大0.075，最小0.017）。兩種測量方法控制樣品和測量環境完全一致，導致誤差的不確定性僅為人員操作和設備本身產生。

圖7 測量點選取

基于此測量結果，可以通過選取左翼子板上2個測量點（第1點和第6點）的間隙和平度進行對比分析，如圖7所示，觀察兩種測量方式是否能對測量結果進行初步分析，可以得到翼子板的裝配尺寸狀態。如圖8所示，根據結果初步分析可知，第2和3臺樣本車翼子板X向偏差較大，根據1點和6點平度偏差相差較大，可以得出結論翼子板裝配后在Y向存在部分扭曲如表4所示。

圖8 測量點結果分析

表4 不同測量設備對比

通過此次對比試驗，對兩種測量設備進行對比，可以看到，便攜式測量臂在成本和測量便利性上更有優勢，但測量精度不如懸臂式測量設備。

4 結束語

通過現場測量試驗和結果分析，可以得到以下結論。

（1）便攜式三坐標測量和激光掃描測量可以準確測量白車身的前端翼子板裝配情況，測量數據具備可靠性且對問題分析能起到指導作用。

（2）便攜式三坐標掃描測量結果和懸臂式測量結果一致性很高，而且在投入成本和測量便利性上更有優勢。因此在精度要求不高的應用場所，可用便攜式三坐標進行替代測量。

（3）在白車身批量生產過程中，前端尺寸的監控能夠提前發現裝配問題，避免后續不必要的返修和調整，因此前端尺寸批量監控尤為重要。通過本文的對比研究發現，可采用便攜式三坐標和激光掃描側頭結合測量監控方式，消除了檢具方案中的測量誤差，也帶來了更低的投資成本。