光學掃描測量技術在汽車沖壓覆蓋件尺寸優化中的應用

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光學掃描測量原理

光學測量技術集合了光電、圖像處理及邏輯學等多項技術。它的基本原理遵循以下幾條定理：不共線的三點確定唯一的一個平面；三個在同一軸上的投影面能描述物體的唯一一個可視角；在讀取量筒或量杯時需要水平讀取，不能俯視或者仰視。例如，測量機有三個鏡頭，拍攝該零件時，相當于在不同的角度拍攝零件，根據畫法幾何，不共軸的三個投影表述唯一可視角，也就是根據畫法幾何可以計算出該物體的位置。

但是由于零件表面可辨識的特征很少或不精確，必須使用一種可辨識技術，即投影技術，將可辨識的光斑投影在物體表面，從而得到物體表面的數據（見圖1）。

通過粘貼的目標點，將拍攝的不同位置的點云數據進行擬合，從而得到零件的實際點云數據，再通過對比點云數據和數模理論位置，得到零件的偏差。

圖1 投影技術

與接觸式測量的對比

接觸式三坐標測量是通過測頭傳感器及探針系統獲取零件表面坐標值的設備，大量應用于汽車測量行業。

光學測量對比接觸式測量優勢如下：

1）很高的測量效率。每次掃描可以生成上萬個測點，生成的點云可以和數模生成色差圖，更加直觀地查看零件偏差。

2）寬松的測量環境要求。接觸式測量機對溫濕度要求較高，需要專門的恒溫恒濕的測量間，而光學測量機可以在車間現場環境中應用。

3）簡明的測量報告。光學掃描可以實現尺寸分析色差圖的報告，實際測量結果和三維數模理論值的偏差可以用不同顏色表述，偏差結果很直觀易懂。

汽車沖壓覆蓋件特性與測量難點

汽車沖壓覆蓋件是指覆蓋汽車發動機、底盤，構成駕駛室和車身的薄鋼板沖壓成形的外沖壓覆蓋件和內沖壓覆蓋件。轎車常見沖壓覆蓋件有：擋泥板、頂蓋、車門內外板、發動機內外板及行李艙蓋等（見圖2）。

圖2 車身沖壓覆蓋件

汽車沖壓覆蓋件的形狀復雜、尺寸大，因此不可能在一道沖壓工序中直接獲得，有的需要十幾道工序才能獲得。沖壓覆蓋件沖壓的基本工序有：落料、拉深、修邊、翻邊和沖孔。落料工序是為了獲得拉深工序所需的毛坯外形。拉深工序是沖壓覆蓋件沖壓的關鍵工序，沖壓覆蓋件的形狀大部分是拉深工序成形的。修邊工序是為了切除拉深件的工藝補充部分，這些工藝補充部分只是拉深工序的需要，因此拉深后切除。翻邊工序位于修邊工序之后，它使沖壓覆蓋件邊緣的豎邊成形。沖孔工序加工沖壓覆蓋件上的孔洞，一般在拉深工序之后，以免孔洞破壞拉深時的均勻壓力狀態，避免孔洞在拉伸時變形。

汽車沖壓覆蓋件要求必須有很高的尺寸精度（包括輪廓尺寸、孔位尺寸、局部形狀等各種尺寸等），以保證焊接或者組裝時的準確性、互換性，便于實現車身焊接的自動化和無人化，也保證車身外觀形狀的一致性和美觀性。

汽車沖壓覆蓋件多為薄壁零件，由于零件的剛性不強，極易發生變形，并且零件經過拉深后存在內應力，由于零件存在回彈。這對零件的測量提出了更高的要求，由于不同的夾緊方式，零件的狀態也會不同，因此，汽車沖壓覆蓋件的測量不同于一般零件的測量，需要設計特殊的測量夾具進行測量。

沖壓覆蓋件的工序件測量

1.沖壓覆蓋件工序件介紹

沖壓覆蓋件工藝設計即針對汽車沖壓覆蓋件的形狀、結構特點安排成形工序步驟。每個工序步驟會生產出該階段的工序件。沖壓覆蓋件一般需要4～6道工序，由落料、拉深、修邊、翻邊、整形及沖孔等組成。經過多道工序生產的沖壓覆蓋件往往會存在各種尺寸問題，為了優化尺寸，往往需要分析工序之間的差異，需要對每一工序零件進行分析測量，進而找到問題根源。因此工序件測量對與沖壓覆蓋件尺寸優化非常重要。

2.工序件的建系及測量方法

為了保證各個工序件測量結果的可對比性，需要對工序件采用相同的測量基準，使用同一坐標系進行測量。建立坐標系過程中應優先使用孔元素，這樣能夠保證坐標系的準確性。當然，由于拉深工序件往往只有零件的大體形狀，一般沒有定位基準孔，因此對于拉深工序件測量一般采用面測量點進行坐標系的建立，或者使用最佳擬合的方式建立坐標系。

例如，某車型尾門內板合邊面尺寸需要優化，由于該零件存在扭曲，特別是零件下部回彈問題，所以為了分析扭曲來自哪一個工序，需要對各工序生產的零件進行掃描測量，通過對比各工序件之間的尺寸差異，明確優化方向。

具體建立坐標系過程如下：

首先選擇如何建立坐標系，根據該零件的形狀特點，后續零件的測量要求，以及能夠體現出該零件下部回彈問題，選擇如下方式建立坐標系。

在零件Z向上選擇3個點，分別為Z1、Z2、Z3，其中Z3為ZA3、ZB3的中點。通過左側圓孔控制X和Y向，定義為X4Y6，通過右側的長孔控制零件的X向，定義為X5（見圖3）。

其次搭建柔性支撐對零件進行基本定位，由于需要考慮能夠體現出零件ZA3、ZB3區域的回彈，所以支撐選擇Z向3個支撐，除Z1，Z2外，在后側翻邊Z3處增加一個支撐點。使用柔性支具搭建支撐（見圖4）。

圖3 尾門內板合邊面建系

圖4 柔性支具支撐

3.測量并對結果進行分析

通過光學設備進行掃描，獲取零件的點云數據，并按照定義的方法進行坐標系的建立。如圖5所示為各工序件的測量結果，可以對零件尺寸進行對比分析。

通過對比測量結果，可以對零件各區域進行分析，確定偏差來源的工序，明確優化方向，提高優化尺寸的效率。

將點云及數模導入polyworks分析軟件，做出該區域的截面線（見圖6），可以更直觀的看到零件各個工序間的變化趨勢。

對每一工序OP10-OP50零件的截面線進行偏差分析，可以直觀的看出零件的變化過程（見圖7）。

圖5 工序件的測量結果

圖6 Polyworks截面線

圖7 截面線分析