汽車(chē)車(chē)身三坐標(biāo)測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)分析

張 云

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410208）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的交通工具選擇越來(lái)越多樣化，如汽車(chē)、火車(chē)以及飛機(jī)等，其中汽車(chē)獲得了廣泛應(yīng)用。汽車(chē)車(chē)身的測(cè)量與數(shù)據(jù)分析有助于買(mǎi)賣(mài)雙方了解汽車(chē)，掌握汽車(chē)的數(shù)據(jù)，根據(jù)汽車(chē)車(chē)身的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)[1]，因此采集與分析汽車(chē)車(chē)身的測(cè)量數(shù)據(jù)十分必要?，F(xiàn)代社會(huì)正處于大數(shù)據(jù)時(shí)代，采集汽車(chē)的車(chē)身數(shù)據(jù)并納入數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于建立完整的數(shù)據(jù)體系，完善汽車(chē)制造中的參考因素，有助于準(zhǔn)確判斷汽車(chē)制作是否符合規(guī)定要求和是否能被大眾所接受。

1 三坐標(biāo)測(cè)量方法概述

所謂三坐標(biāo)測(cè)量方法，是借助三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的方法。三坐標(biāo)設(shè)備指在一定的空間范圍內(nèi)，能夠測(cè)量物體的幾何形狀、長(zhǎng)度、圓周分度等特征的設(shè)備，具備對(duì)空間物體的測(cè)量能力。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x攜帶便捷，可以隨測(cè)量物體進(jìn)行移動(dòng)，在使用過(guò)程中具有靈活性。圖1和圖2為兩種常見(jiàn)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

圖1 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x示例一

圖2 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x示例二

1.1 借助三坐標(biāo)測(cè)量臂的測(cè)量原理

三坐標(biāo)測(cè)量臂又被稱(chēng)之為便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂。該儀器由類(lèi)似手臂的測(cè)量機(jī)和用于傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的下位機(jī)兩部分組成。在測(cè)量車(chē)身或者其他物體時(shí)，需要在測(cè)量機(jī)的關(guān)節(jié)和臂身處分別設(shè)置傳感器，然后將傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)的硬件中，再通過(guò)通信總線(xiàn)傳輸?shù)接?jì)算端。在通信部分，三坐標(biāo)測(cè)量臂通過(guò)RS-485總線(xiàn)與智能傳感器單元相連接。RS-485總線(xiàn)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(yuǎn)。在測(cè)量一些大型部件時(shí)，距離可以不作為重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在數(shù)據(jù)的顯示端，通過(guò)處理器的初步計(jì)算將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)與分析，然后由無(wú)線(xiàn)方式或者有線(xiàn)方式連接單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)身數(shù)據(jù)的采集與保存，同時(shí)可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

1.2 借助光電CCD式的測(cè)量?jī)x原理

光電電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）是一種新型的光電轉(zhuǎn)化器件，能夠存儲(chǔ)光產(chǎn)生的信號(hào)電荷[2]。當(dāng)對(duì)其施加特定序列的脈沖時(shí)，存儲(chǔ)的信號(hào)電荷可以在CCD中作定向傳輸，從而實(shí)現(xiàn)自?huà)呙?。傳感器組件（由相機(jī)、安裝座及三腳架組成）、探測(cè)系統(tǒng)（由測(cè)量光筆、探針組無(wú)線(xiàn)通信裝置組成）、PC、上位機(jī)軟件及電纜共同組成了光電CCD式便攜測(cè)量?jī)x。該光電CCD式的測(cè)量?jī)x基于精確的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，在光筆上鑲嵌著多個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）。CCD可以測(cè)量這些發(fā)光二極管的三維坐標(biāo)，從而獲得光筆在空間的位置和姿態(tài)（六維參數(shù)）。探針與光筆連接，將二者精確校準(zhǔn)后，明確探針與光筆的位置關(guān)系。此時(shí)，光電CCD式的測(cè)量?jī)x系統(tǒng)可以根據(jù)探針與光筆的位置信息精確計(jì)算出探測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[3]。

2 汽車(chē)車(chē)身的三坐標(biāo)測(cè)量及分析

2.1 汽車(chē)車(chē)身三坐標(biāo)測(cè)量的測(cè)量步驟

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x根據(jù)不同的型號(hào)可以測(cè)量不同的物體，其在功能上有所差異。通常，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量功能有物體的尺寸、定位、幾何精度及輪廓精度等。按照測(cè)量?jī)x對(duì)應(yīng)的操作步驟，可以對(duì)物體開(kāi)展測(cè)量，測(cè)量步驟大體如下。

步驟1：完成準(zhǔn)備工作。根據(jù)項(xiàng)目與測(cè)量對(duì)象的要求，明確項(xiàng)目中要求的測(cè)量物體，并抽取CAD，導(dǎo)成IGEs（或STEP等）格式輸出。例如：在對(duì)汽車(chē)車(chē)身進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要對(duì)車(chē)身的測(cè)量做好準(zhǔn)備。

步驟2：建立坐標(biāo)系。安裝好三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x設(shè)備，建立汽車(chē)車(chē)身對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，使設(shè)備坐標(biāo)與汽車(chē)車(chē)身的坐標(biāo)統(tǒng)一。

步驟3：開(kāi)展實(shí)際測(cè)量。導(dǎo)入CAD，開(kāi)始對(duì)測(cè)量元素進(jìn)行測(cè)量比對(duì)，經(jīng)過(guò)分析并調(diào)試使之符合要求。

步驟4：完成測(cè)量報(bào)告。根據(jù)測(cè)量調(diào)試結(jié)果，相關(guān)人員分析數(shù)據(jù)，整理測(cè)量數(shù)據(jù)后做測(cè)量報(bào)告。

步驟5：檢查數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。若發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有誤或者有仍需要測(cè)量的地方，可以進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，以保證測(cè)量的質(zhì)量與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 汽車(chē)車(chē)身三坐標(biāo)測(cè)量方法

在掌握三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的使用后，需要提前明確如何測(cè)量車(chē)身、測(cè)量時(shí)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)樣本如何分析等。由于生產(chǎn)線(xiàn)速的限制，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出，一般4臺(tái)機(jī)器人在一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)，可測(cè)40～80個(gè)點(diǎn)。然而，一輛整車(chē)的關(guān)鍵點(diǎn)一般在200個(gè)左右，因此需要思考如何在有限的時(shí)間內(nèi)測(cè)量更多的點(diǎn)，使得車(chē)身測(cè)量效率最大化。

2.3 汽車(chē)車(chē)身三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果分析

2.3.1 測(cè)量誤差分析

在對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量過(guò)程中，由于各個(gè)方面的影響，得出的數(shù)據(jù)與理論實(shí)際值總是存在誤差。通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)可以看出，每一次測(cè)量得到的結(jié)果是不同的。測(cè)量數(shù)據(jù)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(cè)量過(guò)程中每個(gè)操作員工對(duì)設(shè)備運(yùn)用的熟練程度不同，一定程度上影響了對(duì)汽車(chē)車(chē)身的測(cè)量結(jié)果。即使同一個(gè)工人測(cè)量相同的對(duì)象，在多次測(cè)量過(guò)程中，所測(cè)量的結(jié)果也會(huì)存在誤差。人為誤差在原理上不可能完全消除，只能在測(cè)量過(guò)程中盡可能減少。在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身的三坐標(biāo)測(cè)量前，工作人員需要進(jìn)行崗前培訓(xùn)，掌握測(cè)量和使用測(cè)量?jī)x的要點(diǎn)，從而保障人員測(cè)量導(dǎo)致的誤差處于可控的范圍，進(jìn)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(chǎng)前已經(jīng)存在。標(biāo)準(zhǔn)往往因被測(cè)物體的不同而不同，并未有統(tǒng)一的規(guī)范，因此大部分工廠(chǎng)需根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)選擇測(cè)量設(shè)備。大多數(shù)工廠(chǎng)用測(cè)量設(shè)備檢測(cè)工件時(shí)，均是按照?qǐng)D樣上標(biāo)注的極限尺寸作驗(yàn)收極限。對(duì)于汽車(chē)車(chē)身檢測(cè)設(shè)備的選擇，可以結(jié)合設(shè)備的測(cè)量空間、設(shè)備型號(hào)、制造廠(chǎng)家等購(gòu)買(mǎi)。購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備不同，設(shè)計(jì)測(cè)量中的數(shù)據(jù)也是有差異的[4]。

2.3.2 測(cè)量過(guò)程分析

在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的使用過(guò)程中，測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集與傳輸都需要以電力為基礎(chǔ)。如果在工作中出現(xiàn)電源供電中斷或者數(shù)據(jù)傳輸不連續(xù)的情況，將影響最終上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集[5]。通常，三坐標(biāo)測(cè)量的步驟可以分為3大階段。第1階段，建立坐標(biāo)系，調(diào)整拼臺(tái)直線(xiàn)度（反應(yīng)線(xiàn)基準(zhǔn)與實(shí)際線(xiàn)對(duì)理想線(xiàn)所允許的最大變動(dòng)量）與水平度、側(cè)框垂直度與平行度。這些指標(biāo)合格后，方可進(jìn)行第2階段。第2階段，輸入?yún)?shù)。在第1階段的基礎(chǔ)上，輸入汽車(chē)車(chē)身CAD進(jìn)行車(chē)身監(jiān)測(cè)，調(diào)整合格后進(jìn)入第3階段。第3階段，數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄，分析數(shù)據(jù)作報(bào)告。在實(shí)際的車(chē)身測(cè)量中，每個(gè)階段都有一定的判斷條件，要根據(jù)實(shí)際情況作出具體分析。

3 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)車(chē)身測(cè)量結(jié)果可檢驗(yàn)產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)要求，是控制汽車(chē)加工和裝配的質(zhì)量保證。通過(guò)介紹汽車(chē)車(chē)身三坐標(biāo)測(cè)量，闡述了三坐標(biāo)測(cè)量的具體過(guò)程，對(duì)可能造成的誤差提出避免措施，完善汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，以保證汽車(chē)制造質(zhì)量，提高汽車(chē)車(chē)身合格率。