基于光學測量數據的汽車虛擬尺寸匹配應用

岑迪，李炯辰，陸淼

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

隨著測量技術的不斷發展，在汽車行業領域，光學測量不僅在逆向工程中應用廣泛，在零部件等測量上也逐步推廣使用。

在零部件測量上應用的光學測量屬于非接觸式測量，其主要有激光式、藍光式等類型，無論哪種類型的光學測量，相比傳統三坐標測量，其最大的優勢為數據量全面、測量效率較高[1]。這為后續的尺寸分析提供了充足的數據基礎和高效的分析基礎。

汽車車身是由數百個不同沖壓件焊接并裝配而成，其零件繁多，結構工藝復雜，是一項很大的尺寸工程。車身尺寸匹配的誤差過大，不僅影響生產裝配工藝、車身質量和性能，還會影響整車的外觀質量和客戶滿意度，如密封性、開關流暢性、風噪等[2]。因此，車身裝配質量不僅是反映設計能力，同時也反映了制造廠家的生產和管理能力。在車身匹配中，門蓋等外覆蓋的尺寸匹配質量是生產制造環節中質量問題的集中[3]。

利用了原始光學測量數據結合AMB（Aussen Meisterbock）評價理念，提出了基于光學測量數據的虛擬尺寸匹配，其可以在無實物零件裝配的情況下，對虛擬尺寸匹配狀態進行質量評價，減少實物零件的試驗分析損耗，縮短尺寸匹配評價的時間，有效提升尺寸匹配評價分析的效率。此方法從一定角度上拓展了光學測量數據的應用，為尺寸匹配工程的提供了新分析手段。

1 車身外覆件的虛擬匹配

1.1 AMB（Aussen Meisterbock）

在整車廠的尺寸匹配分析中，AMB是一項評價和分析車身外覆蓋尺寸匹配的主要工具，可以對車身側圍、四門、尾門、翼子板等外覆蓋進行尺寸匹配評價，其在車型預批量生產以及批量生產中都起著重要的作用。AMB示例，如圖1所示。其為一種測量支架，可以將車身外覆蓋按照特定方式進行安裝并進行質量評價。

圖1 某車型AMB示例圖

AMB的評價主要流程：通過特定車型的AMB支架，將外覆蓋件按照設計圖紙要求的定位系統進行裝配，并對裝配后零件進行匹配尺寸的測量；根據平整度間隙等設計要求和客戶角度，對搭建后的AMB狀態進行Audit評價。在整車制造廠中，Audit評價是整車質控中重要的一環，專業評審員利用感官和測量工具，如手觸、間隙塞尺等，依據設計要求對一臺整車的尺寸匹配等方面進行質量評價，并通過抱怨點的統計體現當前車輛的質量水平，抱怨點數量與質量水平成反比。通過Audit評價方式，對AMB搭建零件狀態進行質量評價，可以有效體現外覆蓋件尺寸匹配質量水平。如圖2所示，即為Audit評價中某兩個零件間匹配的平整度間隙評價設計要求，如實際零件間匹配超出了設計公差，即被Audit評判為抱怨點。

圖2 某零件間尺寸匹配要求示例

此外，AMB不僅可以評價外覆蓋的尺寸匹配，還可以對整車外飾件進行裝配評價。

1.2 虛擬匹配基本操作流程

由AMB的搭建流程可知，常規AMB主要基于實物零件，對零件裝配的人員和時間都存在一定的局限性。故利用全型面的光學測量數據，提出了虛擬匹配的思路。虛擬匹配常規理解為，通過實物零件的數字化，在虛擬三維環境中進行與其他零件模型拼裝，從而進行尺寸匹配分析[4]。

基于光學測量數據的虛擬匹配，由以下4個基本步驟進行。

（1）需要確定測量方案，保證測量數據滿足后續的虛擬匹配。由于所需要評價的尺寸匹配是基于匹配型面，故所規劃的光學測量至少需要包括匹配面，在條件合適的情況下可采用全型面測量，便于后續深入分析。

（2）數據采集及保存，利用光學測量設備測量的光學測量數據以STL（STereLithography）格式的通用點云數據進行保存。STL是光學測量數據的一種通用文件格式，可在不同光學分析軟件中使用。此外，得到的光學數據，后續需要通過光學分析軟件進行虛擬拼裝點云，虛擬拼裝原則基于AMB原則，要求零件均在圖紙設計的統一定位系統中，即以RPS（Reference Position System）點進行虛擬裝配；對點云數據采用統一定位系統RPS保存，可以減少后續對數據坐標的重復操作，提高虛擬匹配數據處理的效率。

（3）虛擬匹配，利用前面獲取的光學數據，在光學測量分析軟件中，進行全覆蓋件零件在RPS定位系統中的虛擬裝配，實現虛擬尺寸匹配狀態，采用零件全型面擬合偏差輸出的方式呈現尺寸偏差狀態。

（4）專家對虛擬匹配狀態進行AMB流程中的Audit評價，并對評價后的抱怨問題點進行跟蹤和推進，從而實現質量閉環推進。

如圖3所示為基于光學測量數據虛擬匹配的流程。

圖3 基于常規光學測量的虛擬匹配流程

1.3 虛擬匹配狀態評價變化區域

在零件尺寸狀態評價中，不同時期零件的狀態變化情況是重點檢查的項目。虛擬匹配中，利用了不同時期零件狀態的直接對比，可以快速檢查發生了尺寸變化的區域，然后針對這些尺寸變化，可以有目的性進行尺寸匹配評價。

虛擬匹配檢查零件變化的邏輯為：在光學評價軟件GOM中，將老狀態零件光學測量點云數據轉換為CAD模型，即作為評價基準；導入新狀態零件點云，進行尺寸評價，即可直接輸出新老狀態尺寸對比，以0.5 mm作為尺寸公差，可以快速判斷尺寸變化點。新老狀態的零件均在零件圖紙設計的定位坐標系下進行光學評價，在同一坐標系下，以老狀態數據全型面為基準進行全局擬合，形成新老狀態對比尺寸色差圖。

如圖4所示為車門老狀態尺寸色差圖，圖5所示為新狀態尺寸色差圖。利用常規的尺寸分析方式，從這兩份報告上也可以進行尺寸變化對比，但是可以看出在全型面上進行尺寸對比，相對辨識效果較差，尤其在尺寸變化不大的情況下。其中色差圖中，如-1.82標注即為此區域內凹偏差1.82 mm；如+0.3標注為此區域外凸偏差0.3 mm。

利用新老狀態的虛擬匹配方式進行分析，對比色差圖如圖6所示。圖中可明顯看到方框匹配區域尺寸變化較大，可分析得到：方框區域為新老狀態尺寸變化較大的區域，新狀態較老狀態有外凸。通過圖6的變化分析，再基于圖4和圖5單零件尺寸可進行針對性的準確尺寸分析。利用此方式，可以快速判斷哪些區域發生了尺寸變化，針對這些尺寸變化評判質量狀態，如是抱怨點則需要進行零件的優化。

圖4 老狀態車門尺寸色差圖

圖5 新狀態尺寸色差圖

圖6 新老狀態對比尺寸色差圖

2 虛擬匹配質量評價實例

基于上述描述的虛擬匹配方式，在某整車廠某車型在常規測量中，采用GOM公司的Scan Box測量設備進行了門蓋零件的全型面光學測量，對側圍或者車身框架進行了CMS（Coordinate Measuring Scan）三維激光掃描和Atline光學測量，測量規劃中對車身外覆蓋件均進行了全型面測量。選取某一周次的零件光學測量數據，進行虛擬匹配。虛擬匹配后的車身尺寸匹配狀態如圖7所示，不同尺寸色差代表著不同的尺寸匹配狀態。

圖7 外覆蓋件虛擬匹配尺寸色差圖

基于AMB的評價原則，尺寸工程師可對區域做出尺寸匹配評價，以前后門匹配為例，如圖8所示中方框區域，前后門平整度匹配效果不佳，前門外凸1.3 mm，高于后門，根據匹配公差±0.5 mm，已經超差，這是常見的尺寸匹配抱怨。

經過了相關生產和規劃部門對前門零件狀態的優化，間隔兩周后，對新狀態零件進行評價。首先進行了新老零件狀態的對比，從而快速了解零件變化區域，而對新狀態零件的評價也將主要針對變化區域。

如圖8所示，前門區域發生了較大變化，尺寸較老狀態內凹0.9 mm。針對此變化，尺寸工程師可以進行重點評價。根據圖7老狀態前后門的匹配情況，可以初步快速判斷出，此區域應該有明顯尺寸匹配優化。

圖8 新老狀態對比尺寸色差圖

最后，通過對新狀態的全車身虛擬匹配狀態進行確認，如圖9所示，根據匹配公差±0.5 mm，匹配狀態在公差范圍之內，可以判斷前后門匹配已經得到改善。

圖9 新狀態尺寸色差圖

上述表明，可以在無AMB實物搭建評價的情況下，利用基于光學數據的虛擬匹配對零件尺寸匹配進行預判，可以高效進行零件尺寸質量推進，降低對實物零件、裝配人員和時間的依賴。此外，通過零件新老狀態對比的方式，可以快速判斷尺寸變化的情況，可以使虛擬評價更有針對性。

3 結語

提出了一種利用光學測量數據進行虛擬匹配尺寸分析的方法。其主要過程為，獲取光學測量數據，利用光學評價軟件進行虛擬匹配，模擬出AMB匹配狀態下的車身外覆蓋件匹配狀態，并進行專家虛擬評價，促進尺寸質量提升。其中，對新老零件狀態的光學對比方法，可以快速評價零件變化情況。通過某車型的實例應用，此方法對常規光學數據應用和尺寸匹配工作，提出了一種快速和高效的新工作思路，可以有效推廣并實用。