基于ATOS Scanbox螺柱位置度光學(xué)測量方法探究

朱曉波 曾忞 張孝昌

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

螺柱焊工藝是白車身焊接工藝中較常用的一種，其具有高效性和經(jīng)濟性。首先，螺柱焊工藝簡單，在焊接時，焊接電流較小，縮短了螺柱與車身鈑金的焊接時間；其次，焊接時無需開孔等輔助工藝，因此生產(chǎn)過程中可以節(jié)約較多生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率，并一定程度降低了白車身的制造成本；最后，螺柱焊可以實現(xiàn)白車身更好的密封性。噪聲、振動和平穩(wěn)性（Noise Vibration Harshness，NVH）指標(biāo)是衡量主機廠車身制造質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，直接影響客戶體驗。所以在設(shè)計上，需要提高白車身制造的密封性和防噪性能，需要減少白車身的開口。螺柱焊能較好的實現(xiàn)連接零部件的同時不降低車身密封性能。

螺柱連接在白車身上應(yīng)用極其廣泛，如連接固定整車的內(nèi)飾、儀表板、線束等。要實現(xiàn)零件在整車上實現(xiàn)較好的連接固定，除了螺柱焊自身的連接強度、焊接質(zhì)量外，其位置度的準(zhǔn)確性同樣非常重要[1]。位置度的偏差，在整車生產(chǎn)過程中可能導(dǎo)致零部件無法安裝到位，需要進行批量返工，進而影響生產(chǎn)節(jié)拍，即使可以連接固定零部件，零部件安裝后螺柱與零件間存在較大的內(nèi)應(yīng)力，在行駛過程中易發(fā)生斷裂或失效。因此，螺柱準(zhǔn)確的位置度對于整車生產(chǎn)以及質(zhì)量保證極其重要，需要通過測量準(zhǔn)確獲取車身螺柱的位置度信息。

本研究基于ATOS Scanbox，研究對不同螺距的螺柱（標(biāo)準(zhǔn)螺距和非標(biāo)準(zhǔn)螺距）進行位置度測量時的主要測量方法和測量原理以及對螺柱進行直接測量的可行性，并與常用的擰輔助圓柱、噴顯影劑測量方法進行對比，分析三者在測量準(zhǔn)確性上的差異，并從測量效率和經(jīng)濟性角度分析不同測量方法的優(yōu)缺點。

2 螺柱位置度測量方法及原理

2.1 螺柱位置度測量方法

目前常用螺柱位置度測量方法有2 種，具體如下：

2.1.1 擰輔助圓柱

輔助圓柱在設(shè)計上是與螺柱相匹配的內(nèi)螺紋圓柱體。測量時，將輔助圓柱擰進螺柱，輔助圓柱擰緊前后螺柱示意如圖1 所示。通過測量輔助圓柱代替測量螺柱。但因ATOS 光學(xué)測量的特殊性，輔助圓柱的表面必須進行啞光處理，以減少反光對測量結(jié)果的影響。

圖1 螺柱及擰輔助圓柱后示意

2.1.2 噴顯影劑

噴顯影劑后的螺柱如圖2 所示。當(dāng)用ATOS Scanbox 進行測量時，如果被測零件表面反光嚴重，測量生成的點云質(zhì)量不高，反光部分點云會缺失。因此，當(dāng)遇到表面反光的零件測量時，通常會噴顯影劑，在零件表面形成一層稀薄的粉末層，降低測量時的反光，提高生成點云的質(zhì)量。

圖2 噴顯影劑后的螺柱

如果能夠?qū)崿F(xiàn)對螺柱直接測量，而不需要擰輔助圓柱或噴顯影劑，可以大大提高測量的經(jīng)濟性；另外，當(dāng)前零件在線絕對測量（即直接在白車身車間零件生產(chǎn)工位上實現(xiàn)對零件進行尺寸測量，是絕對精度的測量）在汽車行業(yè)開始應(yīng)用，上汽大眾MEB 工廠引進了基于ATOS 全球首臺在線絕對測量系統(tǒng)[2]。對于離線測量，沒有生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍限制，測量員可以在測量螺柱時進行擰輔助圓柱和噴顯影劑的輔助工作，而在線測量時，這些輔助工作無法實現(xiàn)。因此，需要研究螺柱直接測量的可行性，為螺柱的在線絕對測量提供理論和技術(shù)支撐，提高螺柱測量的經(jīng)濟性。

2.2 螺柱位置度測量原理

擰輔助圓柱、噴顯影劑和直接測量的位置度測量和計算原理一致，即通過測量輔助圓柱或螺柱表面，得到被測表面的點云，然后通過高斯最佳擬合，將距離螺柱根部1/3 螺柱高度距離的點云擬合成圓柱并得到圓柱的中心軸線，將擬合圓柱中心線穿刺投影平面（由螺柱周圍距螺柱5 mm 均勻取3 點擬合而成），即得到該螺柱車身實際坐標(biāo)值（X,Y,Z），通過與理論點（螺柱底面圓心坐標(biāo)值）進行比較，即可得到螺柱位置度的偏差值。

3 試驗方法

根據(jù)螺柱位置度測量原理，將點云進行圓柱擬合時，點云的質(zhì)量和數(shù)量對擬合成的圓柱準(zhǔn)確度有較大影響。對被測物體（螺柱或輔助圓柱）采用3 種測量方法，按照不同角度進行多次測量，對比分析其測量結(jié)果差異。

本次試驗采用ATOS Scanbox 8360 1000MV 鏡頭對白車身上大量使用的M5 螺柱（非標(biāo)螺距）、M8 螺柱（非標(biāo)螺距）、M6 螺柱（標(biāo)準(zhǔn)螺距）、M8 螺柱（標(biāo)準(zhǔn)螺距）按照前述3 種測量方法進行測量，每種方法分別進行1 次測量（圖3）、測量頭間隔180°對掃2 次測量（圖4）和測量頭間隔120°、3 次測量（圖5），得到螺柱的位置度偏差，試驗方法如表1 所示。

表1 每種螺柱試驗方法匯總

圖3 1次測量示意

圖4 間隔180°對掃2次測量示意

圖5 間隔120°、3次測量示意

4 試驗結(jié)果及分析

按3 節(jié)中的試驗方法，測量螺柱位置度偏差結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗所得螺柱位置度偏差結(jié)果mm

將方法1、方法2、方法3 的測量結(jié)果進行對比，M5 螺柱（非標(biāo)螺距）、M8 螺柱（非標(biāo)螺距），M6螺柱（標(biāo)準(zhǔn)螺距）、M8 螺柱（標(biāo)準(zhǔn)螺距）在1 次測量、2 次測量和3 次測量得到的螺柱位置度偏差差異計算的極差如表3 所示，其中Rx表示根據(jù)試驗方法測得的X方向位置度偏差值的極差，Ry表示根據(jù)試驗方法測得的Y方向位置度偏差值的極差，Rz表示根據(jù)試驗方法測得的Z方向位置度偏差值的極差。當(dāng)對螺柱采用擰輔助圓柱方法進行位置度測量時，只需要從任意角度對輔助圓柱進行1 次測量，即可得到較準(zhǔn)確的螺柱位置度偏差結(jié)果。

同上，將方法4、方法5 和方法6 的測量得到的螺柱位置度偏差差異計算的極差，如表4 所示。與擰輔助圓柱測量一樣，噴顯影劑測量時只需要從任意角度對輔助圓柱進行1 次測量，即可得到較準(zhǔn)確的螺柱位置度偏差結(jié)果。

表4 噴顯影劑測量下不同方法結(jié)果極差

將方法7、方法8 和方法9 測量所得到的螺柱位置度偏差差異計算的極差，如表5 所示。M5和M8 非標(biāo)螺距螺柱所測得的位置度偏差結(jié)果差異較大，進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，原因為方法7 進行1 次測量結(jié)果與方法8 和方法9 差異較大，而方法8 和方法9 所測的結(jié)果中極差最大值為0.04。相比方法7 結(jié)果差異大的原因是非標(biāo)螺距螺柱螺距大，表面反光強，生成的點云質(zhì)量較差，擬合后結(jié)果偏差較大。因此，通過這組試驗結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)若對螺柱進行直接測量，非標(biāo)螺距螺柱至少需要進行2 次測量，而標(biāo)準(zhǔn)螺距螺柱僅需進行1 次測量即可得到較準(zhǔn)確的螺柱位置度偏差結(jié)果。

表5 直接進行螺柱測量下不同方法結(jié)果極差

考慮到采用非標(biāo)螺距方法7 的試驗結(jié)果因螺柱表面拍攝質(zhì)量差導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，將方法7 結(jié)果剔除，并將4 種螺柱其他方法試驗結(jié)果進行匯總計算得到其極差結(jié)果，如表6 所示。通過表6 結(jié)果可以看出，每種螺柱按照不同試驗方法測得的結(jié)果極差均不大于0.2 mm，從程序驗收定義偏差值[3]和螺柱公差角度考慮，采用擰輔助圓柱、噴顯影劑和直接測量測量結(jié)果差異不大，任何一種方法都可以進行測量。

表6 不同測量方法測量結(jié)果極差（除去方法7）

5 經(jīng)濟性及效率分析

通過以上試驗結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，對于標(biāo)準(zhǔn)螺距的螺柱，采用任意角度進行1 次直接測量即可得到螺柱位置度較準(zhǔn)確的測量結(jié)果；對于非標(biāo)螺距的螺柱可采用的測量方法有3 種：擰輔助圓柱1次測量；噴顯影劑1 次測量；直接進行2 次測量，其在經(jīng)濟性和測量效率上有所不同。

以某車型底板總成測量為例，該車型需測量螺柱總共有螺柱125 顆，其中標(biāo)準(zhǔn)螺柱29 顆，非標(biāo)準(zhǔn)螺柱96 顆。

a.測量時間定義：測量1次所用時間定義為5 s，包含拍攝測量時間以及軌跡移動時間。

b. 輔助圓柱及顯影劑要求，一般輔助圓柱按照圖紙進行機加工完成，考慮光學(xué)測量的表面啞光要求，需要進行電泳處理，輔助圓柱價格約為40 元/個。為精確成像，要求顯影劑噴后表面均勻，所用顯影劑價格為100 元/瓶，一瓶顯影劑可以測量2 次底板的螺柱。

按底板總成的測量數(shù)量為500 臺/年可以統(tǒng)計3 種測量方法測量螺柱總的用時及所需輔助測量費用，如表7 所示。

表7 不同測量方法經(jīng)濟性和效益評估

從表7 對比結(jié)果可以看出，由于擰輔助圓柱和噴顯影劑只需要1 次測量，總的測量時間相較于直接測量可節(jié)約66.7 h，但兩者需要準(zhǔn)備輔助圓柱和顯影劑，所需的輔助測量費用相對較高，擰輔助圓柱費用為3 840元，顯影劑的消耗費用為25 000元，而直接測量測無需任何輔助測量費用。進行2 次直接測量成本較低，而擰輔助圓柱和噴顯影劑的測量效率更高。

6 結(jié)束語

本文基于ATOS Scanbox 光學(xué)測量系統(tǒng)對螺柱測量時直接測量的可行性、所用的3 種測量方法的測量準(zhǔn)確性、測量效率及經(jīng)濟性進行對比研究，得到如下結(jié)論：

a. 螺柱進行直接測量是可行的，但要得到較高的測量準(zhǔn)確度，至少要對螺柱進行2 次測量。

b. 擰輔助圓柱、噴顯影劑和直接2 次測量，其在測量結(jié)果準(zhǔn)確性上基本無差異。

c.對于標(biāo)準(zhǔn)螺距的螺柱，采用任意角度進行1次直接測量，經(jīng)濟性和測量效率最高。對于非標(biāo)準(zhǔn)螺距的螺柱，從經(jīng)濟性角度，優(yōu)先采用對螺柱進2 次測量的測量方法成本最低；而優(yōu)先采用擰輔助圓柱的測量方法測量時間最短。