激光掃描系統在后舉門受氣彈簧作用力變形分析中的應用

趙國初， 唐立宇

（上汽通用汽車有限公司VME尺寸工程科，上海 200120）

0 引言

隨著社會的發展，乘用車的外觀造型和匹配質量在人們的購車標準中所占的比重越來越高[1]，SUV、MPV等中大型乘用車采用氣彈簧作為后舉門的輔助開啟與關閉工具已經非常普遍，因其具有安裝方便，無需保養，可支撐、緩沖、高度調節等作用[2-3]。由于舉門是由金屬薄件制成，金屬薄件主要為柔性件，具有柔性大、剛性小的特點[4]，在氣彈簧的作用下，舉門會發生變形，嚴重影響舉門周邊匹配質量，因此，本文介紹了運用激光掃描技術對舉門進行掃描，將變形前后數據進行對比，得出變形區域及變形量，以此指導零件的反變形量，極大提高了問題解決效率。

1 氣彈簧作用力

氣彈簧主要包括自由型氣彈簧、自鎖型氣彈簧、牽引式氣彈簧、阻尼器等等。一般情況下，汽車尾門氣彈簧使用的是自由型氣彈簧，如圖1所示，該氣彈簧的作用點有2個，1個在車身上（固定點），1個在舉門上（移動點），為了避免受力不一致，左右兩側稱襯各布置1只氣彈簧，以達到受力均勻，變形一致。氣彈簧在舉門完全關閉時，為最短靜態使用狀態，受到的壓縮量最大，從而受到的壓力也最大[5-6]，同理推論舉門變形量也最大，因此研究舉門原始狀態及有氣彈簧關閉狀態對比即可。

圖1 氣彈簧結構圖[7]

2 理論分析概述

CAE是指用計算機對設備的功能、可靠性進行模擬分析，及早發現設計缺陷，改進和優化設計方案[8]。在數模階段，使用CAE對于舉門變形進行分析，可以得到理論上的變形結果，對于舉門的反變形設計具有一定的指導作用。在理論分析舉門受氣彈簧變形時，一般輸入的條件有：舉門的配重，舉門的材料屬性，氣彈簧作用載荷，氣彈簧的載荷作用點，舉門受力角度，鉸鏈及鎖扣的安裝位置，緩沖塊接觸位置，材料的型面，密封膠的強度，同時也要考慮密封條的反作用力[9]，但是以上的種種條件，全都是理論上的存在值，實際造車過程中的變化較大，如鉸鏈安裝位置的偏差，氣彈簧安裝位置的偏差，作用載荷角度的偏差等對整個舉門的變形都有重要的影響，因此必須以實物驗證為最終反變形依據，以達到精確有效的效果。

3 激光掃描系統概述

激光掃描系統包括了硬件系統和軟件系統[10]。硬件系統包括主機（關節臂）、測頭系統（激光）、計算機系統；軟件系統主要為安裝在計算機系統內的數據采集及處理軟件。

圖2 主要硬件系統示意圖

主要的原理是：激光測頭系統使用高密度點云及測量探針來收集數據，并在軟件系統中重新構建零件原型，并且通過構建坐標系，擬合出零件表面的尺寸特征數據，從而完成逆向工程的應用、檢測、CAD模型比較、造型以及更多的應用。

Polyworks的檢測模塊運用優化的CAD數據對齊技術依據特征及3-2-1對整，及參照點對整執行對比，快速地將掃描點與參照模型進行對比，通過對比點提取測量值，從而達到獲取測量曲面變形值的目的。氣彈簧使舉門變形的分析即可運用此方法，掃描得出2次舉門外型面的點云數據，并進行減法計算，即可得出舉門的變形量。

4 激光掃描系統在舉門受力變形中的應用

4.1 傳統數據采集方法

傳統的數據采集方法主要采用塞尺和階梯尺進行數據采集，如圖3所示；塞尺是一種檢測間隙的薄片式量具[11]，階梯尺同塞尺具有同樣的屬性，是一種檢測階差的薄片式量具。雖能夠進行數據收集及分析，但是數據是離散的，人工測量數據收集效率低，且無法識別出舉門在車身上的整體位移和自身變形的區別，只能夠反映綜合的變形情況，不利于指導零件進行反變形的修模，易造成錯誤結果，同時不能夠精確地反映出舉門變形的趨勢和量（塑料塞尺的精度為0.25），因此亟待一種新的方法來解決此問題。

圖3 傳統數據采集工具

4.2 激光掃描系統的應用

為準確識別舉門的整體位移和自身變形，實驗可采用多次坐標擬合的方法，即以不變形的車身主體粘貼基準球建坐標作為主坐標系，識別舉門的整體綜合變形量（包括整體位移和自身變形），再以舉門上基準球（粘接至舉門上）建坐標作為副坐標系，識別舉門自身變形量。

在進行測量前，按照理論分析概述中所述，安裝上鉸鏈、鎖扣、密封條等必要條件。

4.2.1 坐標建立

為保證坐標的精確性，選擇基準球（球對軸偏心度公差不超過0.005 mm[12]）作為坐標建立工具。選擇車身可靠位置粘接4個基準球（如圖4所示序號1、2、3、4），因為氣彈簧的作用點距離此4個位置較遠，影響的可能性較小，因此默認為可靠位置；同時在舉門中部位置選擇4個位置（A，B，C,D）粘接基準球（如圖4所示）用來建立副坐標系進行舉門自身變形量識別。該4個位置為舉門中間位置，變形量較小，可忽略不計。

圖4 坐標球示意圖

4.2.2 數據收集及分析

1）無氣彈簧掃描。利用車身4個基準球進行最佳擬合法建立坐標系[13-15]，如圖4中序號1、2、3、4四個球位置所示；并進行坐標擬合，在此坐標系下，測量A、B、C、D坐標值{X1}，得出舉門原始位置坐標；將球形探針測頭換為激光掃描測頭，對舉門周邊型面進行掃描，得出原始舉門型面偏差尺寸{Y1}；

2）有氣彈簧掃描。在主坐標系下，再次掃描舉門周邊型面，得出數值{Y2}，與前一次掃描結果做減法運算，得出舉門位移量+舉門自身變形量的綜合結果 {Y}={Y2}-{Y1}，如圖5(a)所示；另外，通過球形測頭測量舉門坐標球ABCD坐標值{X2}，通過與之前數據做減法運算，得出舉門的位移量{X}={X2}-{X1}，如圖5(b)所示，位移量在1.0～1.3之間。

圖5 舉門綜合變形與位移量

運用舉門上球坐標進行擬合，得出副坐標系；并在副坐標系下，逆向計算出前兩次的數值，設副坐標系下的前兩次型面數值為{X′1}及{X′2}，在副坐標系下，對之前2次型面數據進行減法運算，得出舉門自身變形{X′}={X′2}-{X′1}，如圖6所示。以上計算結果均由掃描軟件自動內部處理完成，并輸出連續的點云數值，為問題分析提供了極大的便利。

圖6 舉門自身變形

4.2.3 小結

從以上的分析結果可以看出，運用激光掃描系統進行舉門變形分析，有效地區分了舉門整體位移和自身變形量，具體結果如表1所示。同時，可運用此數據指導現場對零件進行精確反變形修模整改。

表1 舉門變形結果 mm

4.3 解決方案

根據實測結果可知，舉門變形分為整體位移和自身變形，因此，需對應解決相應問題，對于整體位移問題，車身鉸鏈為過孔運用工裝安裝，因此只需將舉門在表調線向上補償1.0 mm安裝即可；對于自身變形問題，車頂匹配區域，向下反變形修正1.3 mm(取均值)；兩側飾板安裝面變形問題，考慮到安裝面修模的時間及質量成本，可考慮在總裝零件處增加止位筋，以修正舉門的變形量。

5 結論

從本文的描述可以得出，激光掃描技術準確有效地反映了舉門變形的狀態，以點云的形式直觀精確地反映了變形的區域和量，避免了傳統分析方法中階梯尺和塞尺收集數據的離散性的弊端，為反變形修正提供了可靠有效的數據保證，并且能夠一次反映舉門的所有變形區域，提高了分析效率，避免了以往在項目中以問題為導向的分析過程，節約了時間，減小了工作量。

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