光學(xué)掃描測量技術(shù)在汽車沖壓覆蓋件尺寸優(yōu)化中的應(yīng)用

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光學(xué)掃描測量原理

光學(xué)測量技術(shù)集合了光電、圖像處理及邏輯學(xué)等多項技術(shù)。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(dāng)于在不同的角度拍攝零件，根據(jù)畫法幾何，不共軸的三個投影表述唯一可視角，也就是根據(jù)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(shù)，即投影技術(shù)，將可辨識的光斑投影在物體表面，從而得到物體表面的數(shù)據(jù)（見圖1）。

通過粘貼的目標(biāo)點，將拍攝的不同位置的點云數(shù)據(jù)進行擬合，從而得到零件的實際點云數(shù)據(jù)，再通過對比點云數(shù)據(jù)和數(shù)模理論位置，得到零件的偏差。

圖1 投影技術(shù)

與接觸式測量的對比

接觸式三坐標(biāo)測量是通過測頭傳感器及探針系統(tǒng)獲取零件表面坐標(biāo)值的設(shè)備，大量應(yīng)用于汽車測量行業(yè)。

光學(xué)測量對比接觸式測量優(yōu)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(shù)模生成色差圖，更加直觀地查看零件偏差。

2）寬松的測量環(huán)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(xué)測量機可以在車間現(xiàn)場環(huán)境中應(yīng)用。

3）簡明的測量報告。光學(xué)掃描可以實現(xiàn)尺寸分析色差圖的報告，實際測量結(jié)果和三維數(shù)模理論值的偏差可以用不同顏色表述，偏差結(jié)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(fā)動機、底盤，構(gòu)成駕駛室和車身的薄鋼板沖壓成形的外沖壓覆蓋件和內(nèi)沖壓覆蓋件。轎車常見沖壓覆蓋件有：擋泥板、頂蓋、車門內(nèi)外板、發(fā)動機內(nèi)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(fù)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(guān)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(tài)，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(zhǔn)確性、互換性，便于實現(xiàn)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(fā)生變形，并且零件經(jīng)過拉深后存在內(nèi)應(yīng)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(tài)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(shè)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(shè)計即針對汽車沖壓覆蓋件的形狀、結(jié)構(gòu)特點安排成形工序步驟。每個工序步驟會生產(chǎn)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(jīng)過多道工序生產(chǎn)的沖壓覆蓋件往往會存在各種尺寸問題，為了優(yōu)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(yōu)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(jié)果的可對比性，需要對工序件采用相同的測量基準(zhǔn)，使用同一坐標(biāo)系進行測量。建立坐標(biāo)系過程中應(yīng)優(yōu)先使用孔元素，這樣能夠保證坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性。當(dāng)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(zhǔn)孔，因此對于拉深工序件測量一般采用面測量點進行坐標(biāo)系的建立，或者使用最佳擬合的方式建立坐標(biāo)系。

例如，某車型尾門內(nèi)板合邊面尺寸需要優(yōu)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(chǎn)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(yōu)化方向。

具體建立坐標(biāo)系過程如下：

首先選擇如何建立坐標(biāo)系，根據(jù)該零件的形狀特點，后續(xù)零件的測量要求，以及能夠體現(xiàn)出該零件下部回彈問題，選擇如下方式建立坐標(biāo)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(cè)圓孔控制X和Y向，定義為X4Y6，通過右側(cè)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(xiàn)出零件ZA3、ZB3區(qū)域的回彈，所以支撐選擇Z向3個支撐，除Z1，Z2外，在后側(cè)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(nèi)板合邊面建系

圖4 柔性支具支撐

3.測量并對結(jié)果進行分析

通過光學(xué)設(shè)備進行掃描，獲取零件的點云數(shù)據(jù)，并按照定義的方法進行坐標(biāo)系的建立。如圖5所示為各工序件的測量結(jié)果，可以對零件尺寸進行對比分析。

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

將點云及數(shù)模導(dǎo)入polyworks分析軟件，做出該區(qū)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(jié)果

圖6 Polyworks截面線

圖7 截面線分析