關(guān)節(jié)臂掃描儀在復(fù)雜骨架焊接總成測(cè)量中的應(yīng)用

梁偉 程森鋒 平穎超 王亞微 李忠順 周博 鄭家彬 李劍

摘 要：客車前圍骨架焊接總成結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，焊接后的變形導(dǎo)致成品與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大偏差，文章描述應(yīng)用關(guān)節(jié)臂掃描儀和CATIA三維軟件，經(jīng)過測(cè)量、擬合和分析三個(gè)步驟，研究制造精度的檢測(cè)方法，以此提升客車的制造水平。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)臂掃描儀；CATIA；骨架焊接總成；測(cè)量

中圖分類號(hào)：U463.83+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0166-02

Abstract： The welding assembly structure of front frame of passenger car is the most complex， and the deformation after welding leads to the great deviation between the finished product and the design state. This paper describes the application of the joint arm scanner and CATIA three-dimensional software， and through the measurement， fitting and analysis of three steps， the measurement method of manufacturing accuracy is studied， so as to improve the manufacturing level of passenger cars.

Keywords： joint arm scanner； CATIA； skeleton welding assembly； measurement

客車行業(yè)內(nèi)普遍將車身骨分為六大片，分別是：前圍骨架焊接總成、后圍骨架焊接總成、頂蓋骨架焊接總成、左側(cè)圍骨架焊接總成、右側(cè)圍骨架焊接總成、地板骨架焊接總成[1]。前圍骨架焊接總成，是由多個(gè)橫梁和縱梁焊接形成復(fù)雜的空間框架，焊接后收縮變形嚴(yán)重；其中左側(cè)A柱和右側(cè)A柱為雙曲部件，定位困難；前圍骨架焊接總成與前圍蒙皮、前乘客門、前保險(xiǎn)杠等諸多部件存在裝配關(guān)系，因此前圍骨架焊接總成的制造精度檢測(cè)，成為質(zhì)量控制中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以需要一套準(zhǔn)確的、切實(shí)可行的測(cè)量方法。

1 基于關(guān)節(jié)臂掃描儀的測(cè)量

本文中提及的關(guān)節(jié)臂掃描儀由基座、關(guān)節(jié)臂主機(jī)、測(cè)頭、數(shù)據(jù)處理盒及電腦軟件組成[2]，具有簡單便攜，精準(zhǔn)可靠的特點(diǎn)，適用于車間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境。

關(guān)節(jié)臂主機(jī)的每個(gè)臂可以圍繞關(guān)節(jié)自由旋轉(zhuǎn)，操作員手工移動(dòng)測(cè)頭，末端的紅寶石接觸工件表面，操作員手工點(diǎn)擊確認(rèn)被測(cè)量點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)上攜帶的測(cè)量軟件計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置[3]，完整測(cè)量后形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

具體測(cè)量步驟如下：

將客車前圍骨架焊接總成固定在表面平整的工作臺(tái)上，并根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的支撐和固定，以減少變形和位移。由于本文中提及的前圍骨架焊接總成，左側(cè)B柱、前圍頂上橫梁和右側(cè)B柱這三個(gè)零件的后表面處于同一平面上，因此將這三個(gè)件的后表面作為固定基準(zhǔn)放在工作臺(tái)上。

本文中提到的前圍骨架焊接總成尺寸為1300mm×2500mm×3100mm（X向、Y向、Z向）[4]，超出關(guān)節(jié)臂掃描儀測(cè)量范圍，需要通過蛙跳技術(shù)（leap frog）完成同一坐標(biāo)系下的多次測(cè)量[5]。蛙跳技術(shù)是通過三個(gè)蛙跳球過渡，移動(dòng)關(guān)節(jié)臂掃描儀，使移動(dòng)前后測(cè)量的所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系一致，從而擴(kuò)大使關(guān)節(jié)臂的測(cè)量范圍，用于測(cè)量大尺寸零部件[6]。

測(cè)量完成后將數(shù)據(jù)保存，并可另存成IGS格式數(shù)據(jù)[7]，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合。

2 基于CATIA的數(shù)據(jù)擬合

2.1 數(shù)據(jù)擬合基準(zhǔn)點(diǎn)的選取

在前圍頂上橫梁的前表面設(shè)計(jì)一個(gè)直徑6mm以上的中心孔，此孔中心點(diǎn)處于基準(zhǔn)Y平面，以此中心點(diǎn)為數(shù)據(jù)擬合基準(zhǔn)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）在前圍頂上橫梁制件階段，此孔容易加工，并且精度好控制；（2）在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量階段，此孔朝上便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；（3）在數(shù)據(jù)擬合階段，使用軟件命令便于快速對(duì)齊。

2.2 數(shù)據(jù)擬合

具體擬合步驟如下：

基于CATIA軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊，將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在基準(zhǔn)點(diǎn)位置對(duì)齊。對(duì)齊后其他點(diǎn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是有很多偏差的，如圖1所示，通過使用軟件中的旋轉(zhuǎn)命令，圍繞基準(zhǔn)點(diǎn)具有多方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

將遠(yuǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)的某處局部重合完成數(shù)據(jù)擬合。在I處局部重合時(shí)，所取點(diǎn)在不同平面和曲面上，重合偏差應(yīng)盡量趨近于零，起到完全限制以基準(zhǔn)點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心的自由度，以便后續(xù)對(duì)其他部位（下文以圖中II處為例）做定性分析和偏差值測(cè)量。應(yīng)用此方法，局部重合的位置不是唯一的，可以通過多次選取比較，從中選取最優(yōu)擬合方案。

3 偏差分析

如圖2所示，以右側(cè)A柱與風(fēng)窗下橫梁交匯處（即圖1中II處）為例，進(jìn)行測(cè)量與分析。

對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。右側(cè)A柱外表面和前表面的測(cè)量點(diǎn)編號(hào)為：點(diǎn)A1、點(diǎn)A2、點(diǎn)A3、點(diǎn)B1、點(diǎn)B2、點(diǎn)B3，風(fēng)窗下橫梁外表面和上表面測(cè)量點(diǎn)編號(hào)為：點(diǎn)C1、點(diǎn)C2、點(diǎn)C3、點(diǎn)D1、點(diǎn)D2、點(diǎn)D3。

基于CATIA軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊中的測(cè)量命令，測(cè)量點(diǎn)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的偏差值，并記錄到如表1所示的表格中。

對(duì)表1中偏差值進(jìn)行分析，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)偏差大于2.0mm的部位都需要分析，表1中涂顏色部分的曲面點(diǎn)B1、曲面點(diǎn)B2、曲面點(diǎn)B3在X方向偏差超過2mm，分別為4.94mm、6.41 mm、6.51 mm，表明右側(cè)A柱與理論位置偏差較大，局部有向車后方偏差的趨勢(shì)，這將導(dǎo)致右側(cè)前乘客門骨架洞口X向尺寸偏小，影響后續(xù)乘客門安裝時(shí)的匹配度，是嚴(yán)重問題點(diǎn)應(yīng)予以改正。

曲面點(diǎn)D1在Z方向偏差超過2mm，而鄰近的曲面點(diǎn)D2、曲面點(diǎn)D3偏差小于2mm，表明風(fēng)窗下橫梁的末端在上表面存在折彎變形，考慮到此橫梁上表面不是裝配面，不影響后續(xù)裝配，可以不作為問題點(diǎn)。

4 結(jié)束語

關(guān)節(jié)臂掃描儀在復(fù)雜骨架焊接總成的檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯，可應(yīng)用于首臺(tái)樣件的檢測(cè)和指導(dǎo)焊接夾具的調(diào)試等方面。隨著對(duì)檢測(cè)方法更加深入研究與應(yīng)用，將極大地提升客車骨架焊接制造水平，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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