三坐標測量在零件安裝波動中的應(yīng)用

葉領(lǐng)升，陳細勇，呂寧

（廣汽本田汽車有限公司技術(shù)部 產(chǎn)品技術(shù)科，廣東 廣州 510700）

引言

隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，消費者對汽車要求日益提高，外觀配合的好壞直接影響消費者的第一印象，為了不斷提高車身外觀品質(zhì)，滿足顧客需求，便攜式關(guān)節(jié)臂三坐標測量機憑借其靈活應(yīng)用的特點及不俗的精度，在行業(yè)中的應(yīng)用越來越普及。本文將結(jié)合便攜式三坐標測量機在整車測量使用“蛙跳”點坐標轉(zhuǎn)移的理論分析，對“蛙跳”點的功能進行研究并優(yōu)化，擴大便攜式關(guān)節(jié)臂三坐標測量機在整車檢證中的應(yīng)用，達到優(yōu)化整車檢證的目的。

1 整車坐標系的建立

整車坐標系是整車上每個構(gòu)成零件唯一坐標系，如圖1：

圖1 整車坐標系示意圖

由于零件均在整車坐標系下，確認實物零件精度是否在設(shè)計公差內(nèi)時，可以以三坐標在整車坐標系下對該零件進行尺寸測量。

三坐標測量機自身有坐標系，三坐標測頭在每個位置所測量的坐標值均以初始坐標原點為坐標系，通過運算計算出側(cè)頭位置。如圖2：

圖2 三坐標測量機坐標系示意圖

由于整車坐標系與三坐標測量機坐標系為不同坐標系，在進行零件測量時就必須先建立統(tǒng)一坐標系，可理解為整車坐標系與三坐標測量機坐標系合并。如圖 3，三坐標測量機的坐標系（X’,Y’,Z’）重合至整車坐標（X，Y，Z）。

圖3 整車坐標系建立后示意圖

三坐標坐標系與零件坐標系重合[1]，測頭測量的位置就是在整車坐標系下相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用測量的數(shù)據(jù)與零件的設(shè)計值進行對比，即可計算出零件實際狀態(tài)與理論狀態(tài)下的偏差。

2 “蛙跳”的原理

由于便攜式三坐標測量機本身存在測量行程的限制，而整車空間尺寸一般較大，便攜式三坐標測量機難以在同一坐標下將較大的范圍一次測量完畢（如整個前圍的所有配合零件）。使用“蛙跳”的方式可以，即在移動三坐標測量機的情況下也能保證在同一坐標系下完成測量。

下面講解“蛙跳”的原理。“蛙跳”的原理如圖4所示：

圖4 “蛙跳”點坐標轉(zhuǎn)移示意圖

三坐標測量機在位置1時，三坐標測量機測量整車基準點并建立坐標系，測量三個蛙跳球A、B、C的坐標值a、b、c。并測量該部位需測量的要素；移動三坐標至位置2,保證在該位置下能測到相同的三個蛙跳點），在位置2處以三個蛙跳點（a，b，c作為坐標點）建立坐標系②，測量①坐標系下未能測量的要素；通過蛙跳點能將①②所測量的要素整合至同一坐標系下，實現(xiàn)較大范圍的零件在同一整車坐標系下進行測量分析。

常用“蛙跳”點分球頭“蛙跳”點與凹槽“蛙跳”點實物圖5：

圖5 “蛙跳”點示意圖

球頭“蛙跳”點：精度高，常用于精度需求非常高的場合，如三坐標測量機的自身精度點檢等。由于體型較大，價格昂貴，一般檢證較少使用。

凹槽“蛙跳”點：精度相對于球頭“蛙跳”點稍差，但能滿足對于整車或零件測量精度測量用，優(yōu)點是價格低廉，體積小，便于一般測量使用。

從上述對“蛙跳”的理論分析得知，通過合理的布置蛙跳點，實施有效的坐標轉(zhuǎn)移，可達到在同一坐標系下延伸三坐標測量機的測量范圍，提高三坐標測量機在整車檢證中的應(yīng)用。

3 “蛙跳”功能在零件安裝波動中的檢證作用

3.1 “蛙跳”零件安裝波動檢證的理論分析

圖6 使用間隙尺、段差計測量

零件在完成車上的精度不僅僅受零件本身精度的影響，同時受到安裝本體定位/安裝孔的精度、對手件配合位置的精度、安裝手法精度波動等影響。對于零件本身精度可通過零件檢具進行確認，安裝本體的定位/安裝孔及配合位置的精度可通過三坐標精度測量確認。而零件安裝波動，如尾燈安裝后外部周邊的配合位置精度的波動，由于外形通常為曲面，使用三坐標測量機一般的掃描外觀面難以判斷具體的偏移方向。過往做法是使用測量工具（如：段差計、間隙尺等），在每次安裝后測量標定點的數(shù)值。重復(fù)安裝一定次數(shù)后對比每次安裝后的測量數(shù)據(jù)，由此得出安裝波動的精度波動量。如圖6。

上述方式人工測量偏差較大，錄入數(shù)據(jù)量大，容易出錯。

通過對“蛙跳”點坐標轉(zhuǎn)移的理論分析，“蛙跳”點理論上在檢證零件安裝波動是可行的，如使用三坐標測量機實現(xiàn)零件安裝波動檢證，那么就可以降低人工測量偏差及錄入數(shù)據(jù)容易出錯的問題。下面對“蛙跳”點在零件安裝中的波動檢證的原理及應(yīng)用進行說明。

“蛙跳”在零件安裝中的波動原理如圖 7。在零件上布置“蛙跳”點1～6（“蛙跳”點的布置于零件檢證相關(guān)）。因“蛙跳”點固定在零件本體，即零件在非內(nèi)部變形狀態(tài)下，“蛙跳”點相對于零件本體位置是固定不變的（例：“蛙跳”點1相對零件位置（a，b），與零件整體位置偏移后“蛙跳”點 1’相對零件本體位置（a’,b’）是相同的）。憑借“蛙跳”點在零件中相對位置固定不變，可以測量零件在每次安裝中（一般零件的安裝不會導(dǎo)致零件本次精度的變化）“蛙跳”點的尺寸，通過測量軟件換算即可得出兩次安裝中的（X，Y，Z）的精確變化量。

圖7 “蛙跳”點在零件安裝波動中的原理圖

1～6點變化量：（X- X’，Y- Y’，Z- Z’），而空間變化量（安裝1與安裝2每點的空間最緊距離）測量軟件也可以顯示。

3.2 “蛙跳”在零件安裝波動檢證中的應(yīng)用

零件安裝波動檢證流程如下流程圖：

圖8 流程圖

以尾燈安裝為例，說明使用三坐標測量完成波動量數(shù)據(jù)檢證：

（1）按安裝零件的屬性，安裝波動可準備焊裝的白車身、涂裝后的白車身或完成車。

（2）為方便每次零件安裝后坐標建立的便利性，將“蛙跳”點布置與被測零件的周邊，在初次建立整車坐標后通過“蛙跳”點的坐標轉(zhuǎn)移，免除每次零件安裝后都重復(fù)進行整車坐標的建立（整車坐標取坐標建立點范圍較大，測量難度較大）。如圖9：

圖9 坐標點示意圖

（3）在尾燈周邊布置“蛙跳”點（布置點反映尾燈周邊配合重要位置），如圖10：

圖10 “蛙跳”測量點示意圖

（4）確保車身與三坐標固定穩(wěn)固，兩者相對位置不變。如圖11：

圖11 車身與三坐標放置示意圖

（5）以后圍整車坐標系基準孔建立坐標，然后點測“蛙跳”坐標轉(zhuǎn)移點，并將“蛙跳”坐標轉(zhuǎn)移點的測量值設(shè)置成名義值，作為下次測量的整車坐標系的坐標基準孔。如圖12：

圖12 整車坐標系建立示意圖

（6）測量尾燈周邊的“蛙跳”測量點，并將測量值設(shè)定為名義值，該測量文檔作為后續(xù)安裝的基準。如圖13：

圖13 “蛙跳”測量點處理示意圖

（7）尾燈拆解后，重復(fù)安裝尾燈。以步驟6）建立的基準文檔中的“蛙跳”點基準坐標建立整車坐標系，然后以尾燈上的“蛙跳”點的名義值基準定義測量值，測量本次尾燈安裝后的數(shù)值。測量軟件通過運算，直接顯示次安裝與第一次安裝的變化量。如圖14

圖14 零件波動測量結(jié)果圖

重復(fù)多次安裝尾燈，并以步驟 7）測量每次安裝后的數(shù)值與第一次安裝的數(shù)值對比。

（8）將多次安裝波動的數(shù)值導(dǎo)出，生成變化量圖表 X方向變化量：

X方向變化量：

Y方向變化量：

Z方向變化量：

圖15 零件安裝波動量數(shù)據(jù)分析圖表

從變化量圖標數(shù)據(jù)能直觀看出，（X，Y，Z）方向尾燈安裝波動量處于較好的水準，波動量MAX為Z方向的第9,10點，在0.4mm以內(nèi)，可判斷該車型尾燈安裝穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。同時數(shù)據(jù)也能體現(xiàn)出尾燈安裝后波動的趨勢，針對每個波動點的趨勢，可使零件或?qū)?yīng)的車身往有利方向配合改修，使外觀配合跟接近規(guī)格中值，往高品質(zhì)目標靠近。

4 小結(jié)

本文應(yīng)用便攜式三坐標測量機的測量特性，通過理論分析“蛙跳”點坐標轉(zhuǎn)移的使用特性，并通過展開應(yīng)用，將“蛙跳”點從坐標轉(zhuǎn)移的單一功能延伸至測量零件的波動量的檢證中。本文僅以尾燈安裝波動為例子說明，“蛙跳”點測量零件的變化量同時可適用于“發(fā)罩/尾蓋安裝穩(wěn)定性”，“尾蓋/發(fā)罩受力檢證”，“前杠下沉量檢證”等相關(guān)的安裝波動或受力變形檢證中。對比傳統(tǒng)的使用間隙尺/段差計等人手逐以測量，“蛙跳”點測量能體現(xiàn)（X，Y，Z）三方向精準的測量。“蛙跳”點測量在完成車檢證中將會越來越普及。

[1] 李明,費麗娜.幾何坐標測量應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用.2012年11月出版.