汽車車身三坐標測量及測量數據分析

張 云

（湖南工業職業技術學院，長沙 410208）

隨著經濟的不斷發展，人們的交通工具選擇越來越多樣化，如汽車、火車以及飛機等，其中汽車獲得了廣泛應用。汽車車身的測量與數據分析有助于買賣雙方了解汽車，掌握汽車的數據，根據汽車車身的數據進行分析與統計[1]，因此采集與分析汽車車身的測量數據十分必要。現代社會正處于大數據時代，采集汽車的車身數據并納入數據庫，有助于建立完整的數據體系，完善汽車制造中的參考因素，有助于準確判斷汽車制作是否符合規定要求和是否能被大眾所接受。

1 三坐標測量方法概述

所謂三坐標測量方法，是借助三坐標測量設備進行測量的方法。三坐標設備指在一定的空間范圍內，能夠測量物體的幾何形狀、長度、圓周分度等特征的設備，具備對空間物體的測量能力。三坐標測量儀攜帶便捷，可以隨測量物體進行移動，在使用過程中具有靈活性。圖1和圖2為兩種常見的三坐標測量儀。

圖1 三坐標測量儀示例一

圖2 三坐標測量儀示例二

1.1 借助三坐標測量臂的測量原理

三坐標測量臂又被稱之為便攜式三坐標測量臂。該儀器由類似手臂的測量機和用于傳輸測量數據的下位機兩部分組成。在測量車身或者其他物體時，需要在測量機的關節和臂身處分別設置傳感器，然后將傳感器測量到的數據傳輸到下位機的硬件中，再通過通信總線傳輸到計算端。在通信部分，三坐標測量臂通過RS-485總線與智能傳感器單元相連接。RS-485總線采用差分的通信方式，相比于RS-232更加可靠，并且傳輸距離遠。在測量一些大型部件時，距離可以不作為重點考慮的問題。在數據的顯示端，通過處理器的初步計算將所得到的數據進行顯示、存儲與分析，然后由無線方式或者有線方式連接單片機或者計算機，進而實現車身數據的采集與保存，同時可利用計算機進行數據處理與分析。

1.2 借助光電CCD式的測量儀原理

光電電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）是一種新型的光電轉化器件，能夠存儲光產生的信號電荷[2]。當對其施加特定序列的脈沖時，存儲的信號電荷可以在CCD中作定向傳輸，從而實現自掃描。傳感器組件（由相機、安裝座及三腳架組成）、探測系統（由測量光筆、探針組無線通信裝置組成）、PC、上位機軟件及電纜共同組成了光電CCD式便攜測量儀。該光電CCD式的測量儀基于精確的數字攝影技術，在光筆上鑲嵌著多個紅外線發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）。CCD可以測量這些發光二極管的三維坐標，從而獲得光筆在空間的位置和姿態（六維參數）。探針與光筆連接，將二者精確校準后，明確探針與光筆的位置關系。此時，光電CCD式的測量儀系統可以根據探針與光筆的位置信息精確計算出探測點的三維坐標[3]。

2 汽車車身的三坐標測量及分析

2.1 汽車車身三坐標測量的測量步驟

三坐標測量儀根據不同的型號可以測量不同的物體，其在功能上有所差異。通常，三坐標測量儀的測量功能有物體的尺寸、定位、幾何精度及輪廓精度等。按照測量儀對應的操作步驟，可以對物體開展測量，測量步驟大體如下。

步驟1：完成準備工作。根據項目與測量對象的要求，明確項目中要求的測量物體，并抽取CAD，導成IGEs（或STEP等）格式輸出。例如：在對汽車車身進行測量時，要對車身的測量做好準備。

步驟2：建立坐標系。安裝好三坐標測量儀設備，建立汽車車身對應的坐標系，使設備坐標與汽車車身的坐標統一。

步驟3：開展實際測量。導入CAD，開始對測量元素進行測量比對，經過分析并調試使之符合要求。

步驟4：完成測量報告。根據測量調試結果，相關人員分析數據，整理測量數據后做測量報告。

步驟5：檢查數據是否準確。若發現測量數據有誤或者有仍需要測量的地方，可以進行重復性測量，以保證測量的質量與數據的準確性。

2.2 汽車車身三坐標測量方法

在掌握三坐標測量儀的使用后，需要提前明確如何測量車身、測量時需要測量的數據、數據樣本如何分析等。由于生產線速的限制，經過經驗統計得出，一般4臺機器人在一個生產節拍內，可測40～80個點。然而，一輛整車的關鍵點一般在200個左右，因此需要思考如何在有限的時間內測量更多的點，使得車身測量效率最大化。

2.3 汽車車身三坐標測量結果分析

2.3.1 測量誤差分析

在對數據的測量過程中，由于各個方面的影響，得出的數據與理論實際值總是存在誤差。通過實際數據可以看出，每一次測量得到的結果是不同的。測量數據的誤差主要受到人為因素、儀器誤差等因素的影響。

人為因素是指在測量過程中每個操作員工對設備運用的熟練程度不同，一定程度上影響了對汽車車身的測量結果。即使同一個工人測量相同的對象，在多次測量過程中，所測量的結果也會存在誤差。人為誤差在原理上不可能完全消除，只能在測量過程中盡可能減少。在進行汽車車身的三坐標測量前，工作人員需要進行崗前培訓，掌握測量和使用測量儀的要點，從而保障人員測量導致的誤差處于可控的范圍，進而降到最低或者可以忽略。

儀器誤差是由儀器制造工藝造成的，在出廠前已經存在。標準往往因被測物體的不同而不同，并未有統一的規范，因此大部分工廠需根據自身的經驗選擇測量設備。大多數工廠用測量設備檢測工件時，均是按照圖樣上標注的極限尺寸作驗收極限。對于汽車車身檢測設備的選擇，可以結合設備的測量空間、設備型號、制造廠家等購買。購買的設備不同，設計測量中的數據也是有差異的[4]。

2.3.2 測量過程分析

在三坐標測量儀的使用過程中，測量儀的數據采集與傳輸都需要以電力為基礎。如果在工作中出現電源供電中斷或者數據傳輸不連續的情況，將影響最終上位機的數據采集[5]。通常，三坐標測量的步驟可以分為3大階段。第1階段，建立坐標系，調整拼臺直線度（反應線基準與實際線對理想線所允許的最大變動量）與水平度、側框垂直度與平行度。這些指標合格后，方可進行第2階段。第2階段，輸入參數。在第1階段的基礎上，輸入汽車車身CAD進行車身監測，調整合格后進入第3階段。第3階段，數據測量與記錄，分析數據作報告。在實際的車身測量中，每個階段都有一定的判斷條件，要根據實際情況作出具體分析。

3 結語

汽車車身測量結果可檢驗產品是否符合設計要求，是控制汽車加工和裝配的質量保證。通過介紹汽車車身三坐標測量，闡述了三坐標測量的具體過程，對可能造成的誤差提出避免措施，完善汽車車身設計和制造過程，以保證汽車制造質量，提高汽車車身合格率。