三坐标测量机在汽车行业中的应用.pdf

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1、三坐标测量机在汽车行业中的应用三坐标测量机在汽车行业中的应用 青岛前哨朗普测量技术有限公司 徐明 摘要 本文叙述了三坐标测量机在汽车行业中的广 泛应用，如：在线检测和监控，薄壁件及车身检测和 扫描， 焊接件及车身分总成批量生产时的质量控制和 统计分析报告， 通用和专用测量软件包的应用， 测量 过程的辅助工具等等。 关键词 三坐标测量机、逆向工程、柔性在线 控制、夹具、上下料系统、通用测量软件、曲 线曲面测量 前言前言 三坐标测量机是在 20 世纪中叶以后发展起来的 集光学、微电子技术、机械设计和制造、计算机硬件 和软件、 自动控制技术等多种高科技为一体的高效精密的通用型计量设备， 能够利用三轴

2、的 相互移动，在数字控制系统的监控协调下，通过界面友好功能强大的软件的操作，准确地测 量出零件的点、线、面等基本元素的特征和相互关系，以及空间位置尺寸以及相关尺寸的形 状位置公差等。近几年来，随着计算机硬件和测量软件技术的飞速发展，用于特殊功能检测 的曲线曲面测量软件、 钣金件和薄壁金属件测量软件、 各种齿轮检测和评价软件以及螺纹检 测等各种复杂几何型面的检测软件相继问世，加之以光学扫描、激光扫描、CCD 技术的应 用，逆向工程的不断发展，使得测量机的应用前景和领域不断扩大。测量机已成为航空、航 天、机械、汽车制造等领域不可缺少的检测设备，是设计、制造、检测一体化的重要单元。 在汽车行业中，测

3、量机不仅可完成汽车生产线上的自动在线检测、关键零部件的质量控制， 同时还可应用于汽车开发、 研制、 生产的全过程， 加速了汽车的研发周期， 优化了外形设计， 并开辟了汽车领域研发制造的新纪元。 本文主要论述了三坐标测量机在汽车行业的主要应用，以及三坐标测量机在不同领域 的应用，测量软件及辅助系统的最新发展，以及测量机在汽车工业的广泛用途。 汽车的生产和制造离不开测量机汽车的生产和制造离不开测量机 产品的高质量从根本上讲是通过制造过程来实现的，而不是依靠最终检验来获得的。 现代制造行业中的质量目标是尽可能保持零件的生产与设计要求一致。 然而， 要保证生产过 程和设计的一致性则必须对制造流程进行控

4、制。 控制制造流程最为有效的方法是准确地测量 工件尺寸，获得尺寸信息后，分析和反馈数据到生产过程中，从而持续提高产品质量。对于 汽车类大批量生产企业尤其应注重和强调过程控制。 过程控制的核心是准确地测量工件尺寸。三坐标测量机是准确获得测量和评价尺寸数 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 据的最有效方法之一，并可由一台设备代替多种表面测量工具、平面测量工具、昂贵的固定 或定制组合量规， 以及精密的手工测量工具， 从而大大减少了完成复杂的汽车检测所需时间。 测量机在为过程控制提供尺寸数据等生产过程状况的有用信息的同时， 还可提供入厂产品检 验、机床校验、客户质量认证

5、、量规检验、加工试验以及优化机床设置等附加性能。 针对在汽车制造业中应用较多的冲压件、白车身、分总成及座椅和内饰件检测，三坐 标测量机的制造商又相应开发了有关输送、 装夹等辅助环节和钣金件检测程序， 从而保证了 组件的安装和零件的互换性好及车身的外形美观。 三坐标测量机在汽车生产的不同领域应用三坐标测量机在汽车生产的不同领域应用 贯穿汽车研发、生产整个流程的始终，不同类型的三坐标测量机在其中每一个环节， 都发挥着重要作用。现以汽车生产中两大类主要部件：箱体类工件和薄壁类工件为例，论述 测量机在主要应用。 （一） 、薄壁件： 薄壁件是汽车行业中使用较多，同时质量要求较高，又难以进行测量的一类部件

6、。主 要包括白车身、分总成、冲压件、仪表板、内饰件、塑料件等部件。现以现代化汽车制造厂 的典型设计生产流程为例，介绍一下测量机的典型应用。 汽车行业典型的设计、制造流程 如上图所示，汽车的设计、制造需要经过造型、设计、试制、验证、批生产等主要环 节。贯穿设计和制造的流程，又包括外协、内部配套、 入厂检测等必要环节。针对各个环节， 不同类型的测量机发挥着其应有作用。 如在造型设计阶段所需要的从原始物理原型产生关于 设计的初步 CAD 模型，和在试制阶段的反复验 证和优化， 对于内部、 外部供应商产品的质量控 制等等。 凭借不同类型测量机的介入， 使得汽车 的设计制造拥有了更加得心应手的工具。 白

7、车身的检测： PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 可以采用大型水平臂测量机或龙门测量机，这些机器都具备足够大的测量范围来检测 轿车的白车身： 1)、在精度要求满足的情况下，考虑到车身特征，建议首先选用水平臂测量机。原因 如下： 水平臂测量机的开敞性比较好，其工作底台都可以沉入地下，其上表面与地面平齐。 这样就可以从各种角度对零件进行吊装，十分方便，容易； 水平臂结构形式能使测头较易进入工件的各个被测部位，包括车身骨架内部区域或各 种薄壁件的底部甚至底部内侧。安装于测臂端部的测头装置，具有双坐标回转功能，使测量 机具有更大的适应性和灵活性 先进的多轴控制系统能操纵

8、 10 个坐标 的双臂， 同时从两侧对工件进行检测， 测量 工作效率很高。 转台的加入使四个轴成为可 能， 双臂配置也可实现， 都可以测量到工件 的各个方向。 在测量精度要求较高的情况下，则应 采用大型龙门式测量机。 这样除了可以测量 白车身外， 还可测量精度要求较高的大型齿 轮箱和发动机壳体。 但装夹零件就必须利用 吊车（行吊，悬臂吊或可移动悬臂吊）或地 轨车从测量机的前面将零件直接放入测量空间内。 2、分总成的检测： 分总成具有典型的薄壁件易变形的特征， 选用检测分总成的 测量机需要兼顾精度、适合车间环境及高重复性和稳定性要求。 桥式测量机因其占地少、成本少、结构比较稳固而且移动部件 较少

9、，具备更好的刚性和稳定性而成为测量各类分总成的良好 选择。活动 桥 式 三 坐 标 测 量 机 包 含 各 种 尺寸， 可以测量从小齿轮到发动机箱体。 如来自意大利 DEA 公司的 TYPHOON 测量机，横截面大、测量速度快，是专 为测量分总成或薄壁件这样具有较大横 截面工件而设计的。 3、车身零件冲压件和焊接件的 检测： 由于这些零件大都是批量生产的， 同时考虑测量机放置在生产线上作为在 线测量和质量监控的工具较为合适。适 合这种条件在线检测易选用车间型的活 动桥式测量机。如 Brown & Sharpe 最新 推出的 GLOBAL 系列测量机，测量范围从 500 mm x 500 mm

10、x 400 mm 一直到 3300 mm x PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2000 mm x 1800 mm，空间测量精度最高 1.4 + L/350 m，运行速度最高可达到 866 mm/s。 对于冲压件和焊接件，以及汽车制造业绝大多数零部件的检测与监控，GLOBAL 系列测量 机均能够具有合适的机型满足客户的要求。 为适应现代制造业越来越多的实现实时监控的需要，过去一般放置在计量室的测量机 更多地安放在生产现场， 这就为适应车间复杂的环境提出了新的要求。 在目前测量机应用中， 车间型的测量机除了在机械本体采用了一系列措施之外， 更多地采用了温度传感器

11、和软件的 修正补偿措施。 如采用了 ACTIV(温度效应的自适应补偿)技术的测量机， 在机体的关键部位 放置了 16 个温度传感器，实时地读取温度数据，并利用 ACTIV 算法实时地计算由于温度 波动而引起的膨胀收缩和非线性弯曲，并实时地产生补偿数据。通过利用 ACTIV 技术，使 得测量机能够实现从 18 到 28C 的高精度检测 上图是我国某著名汽车公司应用三坐标测量机的典型实例。 首先，从冲压车间加工好的冲压件经过地轨车运送至桥式测量机旁(这里是 TYPHOON)， 经过检测， 合格的冲压件运到焊装车间， 经焊接加工后送至在线机器人 VENTO 检测， 或可以送至 TYPHOONA 测量

12、机检测， 检验合格的焊接件送至整车加工车间形成白车 身，白车身送至大型机 VENTO 上检测，然后再送去涂装，最终总装成轿车车身。在线机器 人的检测和整车检测都需要向三坐标测量机发送信息进行联络。 还可以利用三坐标测量机软 件的离线检测功能，将读进来的零部件模型或来自设计的图形进行离线检测或评价等功能。 此外从测量机获得的模型还可以直接送至研发部门的计算机用作进一步设计的工具。 （二） 、箱体类工件： PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 轿车的动力总成部分许多零部件结构复杂，对刚性，强度有一定要求。诸如轴类，连 杆活塞，发动机缸体，减速器等。 轿车工业中的箱体类

13、零件检测具有鲜明特点：1、多参数综合检测，2、大量数据分析和 统计分析，需要最终检测，3、零件相对复杂体积变化大，柔性程度高。基于以上特点，用 测量机作为其检测工具就可以很好的解决这类问题。例如轿 车的多缸发动机的缸孔检测。将活动桥测量机放置在生产线 上，同时配有上下料系统，可以完成缸体的综合检测。这类 零件主要检测缸孔轴承孔或定位销孔。每个缸孔需测三个截 面，每个主轴承孔需测两个截面，供需检测五类参数，直径 尺寸 16 个，距离尺寸 6 个，锥度 12 个，平行度 1 个，同轴 度 3 个。其测量过程如下：被测工件放入该测量机卧式输送 滑台的待料位置，定位后，滑台便开始水平移动，当被测工 件

14、送入测量工位后，便开始有关参数的测量。由于每个主轴 承孔都要测两个截面，所以要有瞬时静止不动。而当滑台到 达测量工位的终点位置后，并在缸孔的三个被测截面处作瞬 时停留以便进行测量。检测装置向上退回原位后，工件的输送滑台便移至原位，然后移去已 测毕的工件，并装上一个待测量的缸体，这样在结束一个循环的同时，又马上可开始新的循 环。在对主轴承孔，销孔和缸孔等进行检验时，工件输送装置旁的打印工位可以给已检验完 毕的工件分组打钢印。多工位检验用测量机的工作效率很高，每小时可测量一百多个工件。 测量软件在检测中的应用测量软件在检测中的应用 三坐标测量机系统是一种集机械、电气、光学、计算机和软件技术为一身的

15、高技术产 品。在机械本体相对成熟的今天，测量软件的性能已日益成为体现测量性能的核心所在。 用户友好的操作界面 目前的测量软件绝大多数都运行在 Windows 操作系统， 并具备了良好的用户操作界面， 在多数情况下，用户只需采用鼠标点击，就可完成测量操作，从而避免了由于普通测量操作 所需的额外编程技能。通过各种菜单对话框、工具栏、按钮、鼠标和按键，如：可快捷地指 向、或直接点击相应的 CAD 模型图标，从而直接启动应用程序来对工件进行测量。 借助先进的软件技术，一般的操作人员通过简单的培训，就可完成测量工作，从而使 得测量机应用的门槛大为降低。 完善的尺寸检测和对复杂形状的评价功能 目前所有的测

16、量软件均能够完成基本几何量的测量和形状位置公差的评价，但采用的 评价方法是否正确，目前在测量软件只有通过了 PTB(物理技术研究院)的认定，才被认为是 合格的测量软件。随着各种复杂型面的大量涌现，能否完成诸如自由曲面、叶片、钣金件的 测量，已成为测量软件必备的功能。 更多的 CAD 功能 为适应现代制造技术对 CAD 技术的发展，测 量软件可利用多种标准的CAD格式进行测量数据 和元素的输入和导出，并可采用国际通用的尺寸 测量接口标准(DMIS)， 更可实现对通用 CAD 系统 的直接接口，通过这种方法，测量软件可以在联 机或脱机两种情况下完成对被检工件的在线和脱 PDF 文件使用 “pdfF

17、actory Pro“ 试用版本创建 机编程，从而大大提高了工作效率，拓展了测量机的应用领域。 直接的 CAD 测量软件应当具备与 CAD/CAM 系统的直接接口，这是完成自动控制一 体化的重要组成部分。 在汽车行业中的测量软件所支持的 CAD 系统通常包括了 Unigraphics, Catia, Pro/Engineer, I- DEAS 和 ACIS。所说的测量软件与 CAD/CAM 的直接接口意味着软件 系统可以简便地导入和编译不同格式的 CAD 文 件，包括 IGES, DXF, STEP, VDAF, DES, XYZIJK 等格式的 CAD 图形数据，经过测量软件的处理产 生正

18、确的 DMIS 格式应用程序，然后这些工件程 序直接加载到 CAD 系统中。测量软件的 CAD 图 形数据可由单臂或双臂检测装置测量或扫描车身 零件产生或由预先绘制好的车身零件的CAD图形 产生。 可定制的检测报告输出 测量软件具备先进的数据报告功能， 通过选用 标准文本报告或 HyperView 风格的报告系统以及 将测量软件的基本元素作为对象通过 Visual Basic Application (Microsoft Visual Basic 的一部 分)编辑器的编程，从而产生非常精彩的一体化报告，此外在编辑过程通过插入 ActiveX 和 OLE 控件还可以扩展报告功能；通过选择不同的字

19、体与字号、颜色、背景和形状以及插入 图形、 指示器和标尺等控件以及 CAD 模型显示实时的数据处理来优化数据的浏览功能等等。 测量软件对于在工业生产线上对工件监控和提高测量效率很重要 测量软件程序具有的在批量生产时零件的统计分析和控制功能对于车身零件的检测过 程和质量控制很重要。 生产线上通过统计分析和控制可给操作者和监督者传递说明过程失控 的警报,以便及时纠正。此外，调试跟踪帮助工具可以优化检测过程。图形报告可输出单个 薄壁件或焊接件的检测报告或者一批薄壁件或焊接件的统计分析报告， 尤其是实测结果和数 据处理的结果还可反馈到工厂质量管理部门的主计算机站，通过进一步的分析、处理、对正 在运行的

20、工序过程进行判断并采取措施， 如增加或减少抽样比例， 调整测量位置或增删点数， 甚至决定变动工艺参数。 此外测量软件还应具备对 CAD 系统原始的数学模型加以运用来获取需要的信息， 以及 使用 CAD 系统原始的 API 接口进行二次开发；这样的功能对于汽车行业中的设计部门非常 重要， 或从来自各种成型的模块或部分零件的测量中形成的产品数据直接开发测量程序， 这 对简化编程起到重要作用。在实践中功能不断扩展，形成了逆向工程这一独特的应用领域。 在汽车行业的测量实践中也要求测量软件通过内部的计算将不同格式的 CAD 系统进 行转化。这种通用的功能对于对于实现设计工艺生产一体化起着至观重要的作用。

21、 测量机的辅助系统测量机的辅助系统 目前，测量机的辅助系统有二大类。第一类是柔性装夹系统，二是上下料系统。 （一） 、柔性装夹系统 1、 汽车工业的生产实践要求使用柔性装夹系统 在汽车生产领域，尤其是在轿车生产厂家，为保证产品的质量，每天要用三坐标测量 机对那些种类多、外形复杂、大小不一的冲压件、焊接件以及其它零件进行测量，传统做法 是每次在测量一个零件以前，首先根据测量要求，制定各种定位及夹紧方案，接着就要制作 一些夹具，然后按照既定方案，在三坐标测量机的工作台面上，把这些定位及夹紧装置搭建 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 起来， 在此基础上建立测量坐标系

22、后方可测量， 这种做法难以适应现代化大规模生产的需要。 汽车生产领域所测量的薄壁件一般由冲压、焊接等工艺而成，普遍有两个特点：形状 比较复杂、不规则，因此定位、支承、装夹都比较麻烦；其二刚性比较差，易变形很容易引 入附加误差。在这种情况下使用柔性装夹系统极为重要。 2、对柔性夹具的要求 汽车行业所要求的柔性夹具系统可用于任何测量机（悬臂或垂直臂） ；而且它不需要与 检测设备有特殊的电气和软件的的联结。 坐标测量机可以检测的工件， 夹具就能相应地支持 这些工件。这类夹具系统维护起来应当十分方便，使用过程也十分简单。 汽车行业所使用的柔性夹具要克服传统夹具交货期长，缺乏灵活性，单件成本大，更 改费

23、用高，储存费用大等缺点。 （二）、上下料等辅助系统 在测量机的前后安装上下料系统，参照与装配线的位置，上下料可在任一侧进行。这 样，把停机时间、即空运行时间减至最少，提高了工作效率。当一个待测薄壁件在测量工位 被检测时，下一个薄壁件被装在上料工位处的承载平台上，而在测量循环完成后，该件就被 自动移出测量区域，装着新工件的第二个平台被移入。根据测量任务的需要，承载平台上还 可设置测头库，既可在检验一个复杂的工件过程中通过更换测头，一次完成任务。 结论结论 上面分别描述了测量机的机械主体部分，测量软件和辅助工具的具体应用，然而测量 机系统是个多系统的综合应用，只有综合应用各部分功能才能收到良好的效

24、果。 下面以上海大众汽车集团的 PASSAT 轿车生产线为例说明一下： PASSAT 轿车车身共分为 36 个总成、分总成，以及多种辅助饰件。在批量生产时，每 天都要进行常规测量，每样部件测 3 件，通过对测量机的操作完成大量部件的测量报告输 出，并及时得到测量数据，反馈给生产部门以作参考。其中车身骨架总成部件最重要，也是 最复杂，测量点最多。车身骨架总成的测量被放置在一个专用测量支架上，把坐标建在支架 上。车身骨架总成共有测量点 200 多个，分布在车身周围各个部位，测量的范围广，难度 大。 这样的检测要求只有通过高性能的大型测量机才能完成，通过借助使用来自 Brown & Sharpe 集团测量机器人 BRAVO NT，上海大众成功地完成了 PASSAT 车型的开发。 随着汽车制造业的不断发展， 三坐标测量机在其中的应用领域将会不断扩大， 并将成为汽车 工业乃至整个制造业不可缺少的重要组成部分。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建