柔性掃描基準(zhǔn)在TAC上的應(yīng)用研究

李曉甜 丁煥強(qiáng)

摘 要：整車匹配檢具（TAC）模擬塊高昂的制造成本，短暫的使用周期，迅速衰減的使用頻率以及零互換性等特性，促使上汽通用汽車開始嘗試用數(shù)字掃描方式替代TAC 模擬塊做尺寸匹配分析。掃描測量至少需要3個基準(zhǔn)球，但常規(guī)TAC上分布的基準(zhǔn)球數(shù)量較少、分布間距較大，導(dǎo)致掃描幅度大而不得不采取全局拍照，耗時較長。在TAC重要區(qū)域多布置基準(zhǔn)球，取消全局拍照步驟，可提高掃描效率。如此，基準(zhǔn)球數(shù)量需求大，價格高，嘗試采用柔性掃描基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)快速掃描，同時降低TAC制造成本。

關(guān)鍵詞：TAC;柔性掃描基準(zhǔn);掃描

0 前言

尺寸匹配活動中，各汽車廠使用的整車匹配分析工具（TAC）都會制作出95%以上內(nèi)外飾零件的標(biāo)準(zhǔn)安裝點(diǎn)和模擬塊（約150個），超過一半以上的模擬塊在量產(chǎn)后使用頻率大幅下降，同時模擬塊是根據(jù)零件數(shù)模抽取其匹配面進(jìn)行設(shè)計制造的，不同車型間零互換性，在種種限制下，上汽通用開始嘗試將3D數(shù)字掃描引入TAC，以取代傳統(tǒng)的模擬塊完成尺寸匹配活動。本文旨在提供一套全新的TAC掃描基準(zhǔn)方案，解決3D數(shù)字掃描引入TAC后，由于基準(zhǔn)球數(shù)量少而必須采用全局拍照測量導(dǎo)致的掃描低效問題。

1 柔性基準(zhǔn)在TAC上的應(yīng)用介紹

TAC保留了零件的標(biāo)準(zhǔn)安裝點(diǎn)，零件安裝到位后采用數(shù)字掃描獲得定位狀態(tài)下的點(diǎn)云，該點(diǎn)云必須擬合到車身坐標(biāo)系下，才能進(jìn)行零件匹配分析工作。掃描中零件數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量直接影響了尺寸匹配工作的正常進(jìn)行，其中坐標(biāo)系擬合的過程就需要借助TAC上的基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，常規(guī)分布的基準(zhǔn)球數(shù)量少，從而導(dǎo)致掃描面積較小的零件時掃描范圍仍然很大，而大范圍掃描時需要采用全局拍照測量進(jìn)行拼接，效率較低。為提高掃描效率，必須取消耗時的全局拍照步驟，同時為了保證精度，需將單次掃描范圍控制在1m*1m內(nèi)，且掃描范圍內(nèi)需有3個以上基準(zhǔn)球，相較于體積龐大的TAC，基準(zhǔn)球需求量也很大（約100個），且掃描需要的啞光基準(zhǔn)球單價高，考慮采用柔性掃描基準(zhǔn)方案實(shí)現(xiàn)提效和降本。

2 柔性掃描基準(zhǔn)設(shè)計方案

（1）柔性掃描基準(zhǔn)設(shè)計思路：柔性掃描基準(zhǔn)由4部分組成（圖1）：基準(zhǔn)球+靶球基座+強(qiáng)磁鐵+TAC，在TAC本體上布置合適位置和數(shù)量的靶球基座，基準(zhǔn)球通過強(qiáng)磁鐵吸附在靶球基座上，根據(jù)實(shí)際掃描需要移動基準(zhǔn)球，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)球的柔性應(yīng)用。

（2）柔性掃描基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)：柔性基準(zhǔn)靠強(qiáng)磁鐵吸附，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計須留有一定間隙，避免接觸。一是基準(zhǔn)球與強(qiáng)磁鐵間設(shè)計預(yù)留0.5 mm間隙，二是靶球基座圓柱內(nèi)徑設(shè)計為14 mm，而強(qiáng)磁鐵直徑設(shè)計為15 mm，形成一個擋板結(jié)構(gòu)，兩個設(shè)計保證了工作狀態(tài)時基準(zhǔn)球與強(qiáng)磁鐵脫離，避免影響精度和重復(fù)性。（圖2）

3 柔性掃描基準(zhǔn)靶球基座方案及驗(yàn)證

（1）三種靶球座結(jié)構(gòu)。從柔性基準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計中可以看出，除了基準(zhǔn)球本身的球度外，靶球基座的形式及磁鐵的吸附力是影響精度和重復(fù)性的最主要因素。為得到最優(yōu)方案，本次研究考慮了3種靶球基座結(jié)構(gòu)，分別是圓柱、圓錐、三點(diǎn)圓弧（表1），并結(jié)合柔性基準(zhǔn)的實(shí)際使用姿態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探究柔性系統(tǒng)靶球基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和吸附姿態(tài)對球心精度和重復(fù)性的影響。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1）測量設(shè)備：CMM，F(xiàn)aro，SCAN;2）測量方法：三組不同形式的靶球基座兩兩一組分別固定在間隔1米測量棒上;基準(zhǔn)球吸附在三組靶球基座上，放置角度充分考慮在TAC上的安裝姿態(tài)，設(shè)置了0°、45°、90°三種姿態(tài)，依次用CMM、Faro、Scans三種設(shè)備進(jìn)行球心和球心距1*10重復(fù)性測試。3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。經(jīng)測試，三種設(shè)備測量的球心及球心距的精度及重復(fù)性結(jié)果均符合TAC對掃描基準(zhǔn)球的精度要求（0.05mm）。如上表所示，以CMM測量結(jié)果為依據(jù)選擇最優(yōu)的三點(diǎn)圓弧的靶球基座作為柔性基準(zhǔn)的基座，并在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用驗(yàn)證。

4 柔性掃描基準(zhǔn)在TAC上的應(yīng)用

如圖3所示，某車型的TAC上取消了后四角窗模擬塊，在四角窗區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置了3個柔性基準(zhǔn)靶座，TAC出廠前對基準(zhǔn)球球心坐標(biāo)進(jìn)行重復(fù)性測試，并標(biāo)注基準(zhǔn)球球心坐標(biāo)。尺寸匹配工作中利用基準(zhǔn)球球心坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，并將掃描點(diǎn)云擬合到車身坐標(biāo)系，完成尺寸匹配工作。項(xiàng)目驗(yàn)證結(jié)果符合要求。

5 結(jié)論

本文為掃描設(shè)備引入TAC提供了一種精度高，重復(fù)性好的柔性掃描基準(zhǔn)方案，也豐富了各大汽車廠整車匹配分析工具的使用靈活性，為越來越多的剛性檢具逐步走向柔性提供了更大可能性。快速掃描得到連續(xù)的色差圖也為“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的企業(yè)尺寸分析方法提供了更加高效的手段支撐。

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