便携式测量臂在白车身尺寸监控中的应用

张 博

（一汽-大众汽车有限公司佛山分公司，广东佛山 528000）

0 引言

白车身的生产和制造是现代工业制造的重要组成部分。白车身的主要生产流程：一些冲压单件和外购件等金属零件，经过装配、焊接、涂胶等连接工艺构成分总成，再由多个分总成形成车身骨架总成，即汽车白车身。为了保证车身各组装件和零件具备互换性，以及保证车身的外观美观，需要在加工及制造过程中控制冲压件及分总成的尺寸，必要时使用一些监控测量手段。汽车白车身的组成零件多、结构复杂、刚性差、易变形，而白车身的装配匹配状态直接关系着整车的外观和质量。由于各种主客观因素都会存在各种各样的误差，因此尺寸的控制和监控手段就显得尤为重要[1]。

好的监控手段可以在低投资和低成本的条件下稳定运行，并准确及时发现白车身的装配尺寸问题，以避免更大的损失[2]。目前各大整车制造厂中，对于白车身尺寸的监控主要有以下3种手段[3]。

（1）检具测量。检具是通过机械加工和热处理，制作白车身仿形块来模拟整车装配情况，从而检测匹配状态。这种检测方案通常柔性较差，且在某些特殊情况下（如前端翼子板的测量）无法进行定量偏差检测，但优点是投资低，现场操作简单，检测结果较为直观。

（2）非接触式光学测量。非接触式光学测量是光电技术与机械测量结合的测量技术，通过利用计算机技术，可以实现快速、准确地测量，而且更有利于记录、存储和分析测量数据等功能。这种检测方案多用来检测单件和外覆盖件的表面状态和尺寸状态，柔性高但投资成本高。

（3）接触式三坐标测量。是通过设计一套自动化的测量头系统，利用该系统进行测量零件表面点三维坐标的一种测量方式。这种三坐标测量具有精度高、速度快、柔性好、数据处理能力强等特点。目前用于整车测量较多的是悬臂式三坐标测量，这种测量方法需要较为苛刻的测量环境和定位精度，且测量时间相对较长，仅用来作为问题分析，而非批量监控使用。

在白车身生产领域中，目前最先进的前端检测技术为白车身在线测量系统，它能够对白车身外覆盖件间相对间隙平度进行100%测量和监控；但对于类似翼子板这种需要监控车身两侧相对位置的尺寸仍存在无法测量的局限性，且设备投入成本较高[4-5]。本文研究利用便携式三坐标和光学扫描测量结合的方式，测量白车身前端翼子板装配状态，并与悬臂式三坐标测量结果进行对比，从而验证该测量方式的准确性和可靠性，利用低成本方案解决批量生产现场的前端监控问题，特别是在柔性化多车型共线的生产车间，采用该检测方式能够大大节省成本投资。

1 方法和测量原理

为了使用低成本方案解决白车身批量生产中的前端监控需求，考虑采用测量原理类似但成本更为低廉的便携式测量臂和激光扫描测量结合的方式。但需要考虑的是，悬臂式三坐标能准确记录测量头在X、Y、Z方向上的位移量，因此能准确识别测量点的偏差情况；但便携式测量臂仅能识别最终位置的空间坐标，当被测量件有变形或尺寸偏差时，人工操作在测量非特征点（曲面点）时无法准确识别测量点位置，因此需要选取特征点来建立坐标系，通过非接触式的激光测量头来保证被测量点的准确位置。

1.1 便携式三坐标测量臂和激光扫描头的测量原理

三坐标测量臂是一种通用性极强的测量设备，如图1所示。工作原理：用若干个点表征待测的工件，然后在工件上测出这些点的实际坐标，对测得的坐标值进行既定的数学运算，从而得到被测工件的尺寸[6]。

图1 便携式三坐标测量仪和测量头分类

柔性三坐标测量机主要是通过测量机末端安装的接触式测头来接触被测工件，测量臂的各关节和臂身处安装有角度传感器、温度传感器、应变传感器及单片机组成的智能传感器单元，经过测量机内部的传感器将触发信号转化为电信号，最终输出测量数据[7]。

接触式测量头的测量方法都是通过测头测端与被测工件接触，采集被测表面的轮廓点，进行数据处理后，从而获得被测工件的表面轮廓信息[8]。但是由于该类测头测端有一定的大小，所以难以对一些尺寸小的孔，槽或圆弧进行测量：另外，该测头在测量时有一定的测量力，对一些质软易碎的工件进行测量，可能会导致此类工件的变形。而对于便携式的测量臂，需手动进行测量点位置的拾取和测量，在测量一些曲面时就无法避免产生拾取测量误差[9]。基于这种情况，非接触测头的研究就变得十分重要。其中，采用光学方法的非接触式测头可以弥补接触式测量的这些缺点[10]。非接触测头是依据光学三角形测量原理[11]：利用具有一定几何形状的激光（如点、线、面光源），投射到被测工件表面上，形成的反射光点（光条）被图像传感器接收，根据光点（光条）在被测工件上成像的偏移量，以及与被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按照三角几何原理算出被测物体的空间坐标[12-14]，如图2所示。

图2 点光源和线光源测量原理

1.2 悬臂式三坐标测量原理

如图3所示，悬臂式三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一种固定在地面上，能产生至少3个线位移或角位移，且3个位移中至少有1个线位移的测量器具。它是通过测头传感器的触发来获得其空间坐标值，然后对坐标值进行分析计算获得测量的结果，进而对工件进行评价。

其基本测量原理也与便携式一致，所不同的是由控制系统驱动的测量系统在测量范围内沿X、Y和Z轴移动，计算机控制程序中逻辑板能准确计算出运动轨迹，将偏移量送到驱动器上并通过比较轴的移动来检查运动的正确与否（测速与计数）；当测头与工件接触时，逻辑板记录下测量点的位置并把它送到用于进行程序指令处理的计算机中；测量的结果被按照操作者选择的格式显示，如果必要，可以将它保存并进行处理。相对于便携式三坐标测量仪，它排除了人员操作的误差，具有更高的测量精度，但相应成本高且测量过程较为漫长，一般用于整车的尺寸问题分析。

图3 悬臂式三坐标测量设备

2 试验验证

便携式测量与悬臂式测量的测量原理基本相同，理论上除了设备本身的精度区别外，所得测量结果应该完成一致。通过测量试验进行验证。

为了准确对比两种测量方式的测量结果，使用控制变量法，控制相同的外在因素条件，使两种测量方式的车身固定方式、建系点和约束条件、测量点完全一致的情况下进行分组测量；所不同的是测量设备，即悬臂式三坐标和便携式三坐标的固定方式和拾取点测量方式不同，如图4所示试验所用两种测量设备参数对比如表1所示。

图4 现场试验测量

表1 测量设备参数对比

从批量生产中随机抽取5台装配完成的白车身，通过白车身的测量固定支架固定白车身后，利用悬臂式三坐标进行白车身的左右翼子板前端尺寸测量；悬臂式每测完一台车，通过重型三角架固定便携式三坐标在车身前端处，手动操作扫描此台车的前端翼子板尺寸状态。建系点选取为左、右端板件上3个RPS孔，测量点选取翼子板与大灯匹配的虎口和下方共14处，分别测量平度和间隙，如图5、图6所示。分别采用两种测量方式，测量5台白车身翼子板状态数据，对比测量结果。

图5 测量建系约束点

图6 翼子板上测量监控点位置

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

将5台白车身分别编号为01～05，测量结果对比见下方曲线图中，对比曲线分别为便携式三坐标测量臂通过激光扫描头扫描测量获得结果和悬臂式三坐标测量获得结果。左右侧平度和间隙点分开对比，5台样本车，每台车测量56个点。间隙测量结果对比如表2所示，表中可以看到两种测量结果基本保持一致，最大误差仅有0.16 mm。平度测量结果对比如表3所示，可以看到两种测量结果一致度更高，最大误差也仅有0.16 mm。

表2 间隙测量结果对比

表3 平度测量结果对比

3.2 结果分析

对于这几组测量数据，两种测量方法间的差值进行标准差计算，可以发现5台不同白车身的两种测量结果偏差值整体标准差数量均处于较低水平（最大0.075，最小0.017）。两种测量方法控制样品和测量环境完全一致，导致误差的不确定性仅为人员操作和设备本身产生。

图7 测量点选取

基于此测量结果，可以通过选取左翼子板上2个测量点（第1点和第6点）的间隙和平度进行对比分析，如图7所示，观察两种测量方式是否能对测量结果进行初步分析，可以得到翼子板的装配尺寸状态。如图8所示，根据结果初步分析可知，第2和3台样本车翼子板X向偏差较大，根据1点和6点平度偏差相差较大，可以得出结论翼子板装配后在Y向存在部分扭曲如表4所示。

图8 测量点结果分析

表4 不同测量设备对比

通过此次对比试验，对两种测量设备进行对比，可以看到，便携式测量臂在成本和测量便利性上更有优势，但测量精度不如悬臂式测量设备。

4 结束语

通过现场测量试验和结果分析，可以得到以下结论。

（1）便携式三坐标测量和激光扫描测量可以准确测量白车身的前端翼子板装配情况，测量数据具备可靠性且对问题分析能起到指导作用。

（2）便携式三坐标扫描测量结果和悬臂式测量结果一致性很高，而且在投入成本和测量便利性上更有优势。因此在精度要求不高的应用场所，可用便携式三坐标进行替代测量。

（3）在白车身批量生产过程中，前端尺寸的监控能够提前发现装配问题，避免后续不必要的返修和调整，因此前端尺寸批量监控尤为重要。通过本文的对比研究发现，可采用便携式三坐标和激光扫描侧头结合测量监控方式，消除了检具方案中的测量误差，也带来了更低的投资成本。