激光跟蹤儀在汽車制造業(yè)在線檢測中的應用

摘 要：介紹了激光跟蹤測量技術在焊裝夾具裝調上的應用，以及API新一代激光跟蹤測量技術，包括ADM絕對測距技術、Intelliprobe智能測頭技術和基于數模的擬合坐標系測量方法以及這些功能的應用實例。

激光跟蹤儀作為一種高精度便攜式的三坐標測量設備，在世界汽車制造業(yè)使用并不是一個新鮮事物。在歐洲，標致雪鐵龍汽車公司和雷諾汽車公司已經大量采用了美國自動精密工程公司（Automated Precision, Inc縮寫API）生產的TrackerIIPlus激光跟蹤儀代替關節(jié)臂等其他現場測量設備。在中國，上海通用也已經選用兩臺美國API公司的TrackerIIPlus激光跟蹤儀用于生產現場工裝檢測以及白車身和沖壓件測量。今天的跟蹤儀早已突破了早期跟蹤儀外型笨重，校準頻繁，操作復雜，受環(huán)境影響大等局限性，成為了現代汽車制造業(yè)中用途廣泛的一種測量儀器。由美國API公司制造的TrackerIIPlus激光跟蹤儀跟蹤頭重量僅有8.3kg，連接上配套的輕便三腳架后總重量也不超過20kg，可以在生產線上方便地安裝。

　　激光跟蹤儀的一個典型應用是用于焊裝車間工裝夾具的裝調。車身焊裝是整個汽車制造中最重要的環(huán)節(jié)之一，焊裝質量的優(yōu)劣不但關乎后續(xù)總裝能否正常進行，對轎車來說更有可能影響到整個車身的強度和安全性。而焊裝質量又直接取決于焊裝夾具的定位精度。在過去，汽車生產線上工裝夾具的最初安裝定位，一般是先制造一部樣車，樣車精度通過固定式三坐標測量機來保證，然后將樣車放置在工位上，調整夾頭位置使各個工作面和樣車貼合好，實際上這部樣車起到了測量中傳遞樣棒的作用。通過樣車調節(jié)好各個夾頭位置后，再用關節(jié)臂這類精度級別相對較低的現場測量設備進行復測檢驗。關節(jié)臂由于測量范圍很小，不可能在一個測量站位中測量到車身原始定位基準一孔一槽三個定位面，所以最初的坐標系往往需要通過一到兩次移站來建立，這樣關節(jié)臂所建的基準坐標系中必然包含移站誤差，這直接限制了復測的精度級別，無法保證大范圍內的相對位置精度。另外，眾所周知，關節(jié)臂由于其原理上的局限性，實際使用壽命是相當短的，經過一段時間的使用，甚至是設備閑置后，關節(jié)部位軸承的磨損以及臂身的變形都會導致精度嚴重下降，而且這種精度下降是不可補償的。因為上述原因，焊裝夾具的定位精度實質上極大的依賴于樣車精度，但樣車作為樣棒使用最致命的缺點是容易變形，樣車本身只是一個精度級別較高的白車身，是一個殼體零件，雖然經過固定式三坐標測量機檢測合格，但是在裝運到現場以及后續(xù)裝調過程中由于溫度變化、外力作用等因素發(fā)生變形都是不可預測的，這部分誤差將直接變成焊裝夾具的定位誤差。如果采用激光跟蹤儀，首先在較大測量范圍內不需要移站，能保證較高精度的基準坐標系（5m內精度為±0.025mm）。有了這個準確的基準坐標系，導入數學模型后可以直接用車身數模為比對基準來調整夾具定位面，如圖2所示。因為夾具定位面的理論數模和車身上定位面的理論數模是重合的，所以無須為夾具測量專門創(chuàng)建數模。建立基準坐標系以后，將靶球放在需要調節(jié)的夾具定位面（定位銷）上，軟件計算出靶球中心坐標到定位面（定位銷）數模的投影距離，根據靶球半徑作補償計算得到3D偏差的方向和數值，實時顯示在計算機屏幕上，觀察并調節(jié)這個偏差到公差范圍內。采用這種測量工藝后，不再依賴樣車精度，減少了誤差傳遞的中間環(huán)節(jié)，同時節(jié)省了制造和測量樣車的成本。優(yōu)勢是顯而易見的。關節(jié)臂雖然從測量方法和軟件上也能執(zhí)行上述工藝，但是測量范圍和精度都無法達到工藝的要求。激光跟蹤儀本身以其自帶的激光干涉儀作為長度標準，光柵碼盤作為角度標準，通過自身的一系列校準程序，可以在整個產品壽命周期中始終保持高精度的工作狀態(tài)。通常，在固定工作場所使用和存放的API激光跟蹤儀，一般做自校準的周期可長達數月。而激光跟蹤儀自校準所花費的時間則不超過十分鐘。

　　激光跟蹤儀像所有的三坐標測量設備一樣，提供了豐富的建坐標方式，除了傳統(tǒng)的三點建坐標、點線面建坐標、多點擬合坐標系等方式以外，還提供了一種獨特的復雜擬合建坐標方式，這種建坐標方式允許使用工件上的任意曲面、平面、定位孔、定位點組合起來作為建坐標的基準，擬合計算出工件坐標系。首先在導入的工件數學模型上選擇適當的基準面上的表面點（對應工裝上的定位面）和基準孔中心（對應工裝上的定位銷），然后依次測量工件上的這些基準元素位置，得到擬合計算的結果。如果定位基準屬于過定位，通過分析結果數據，可以知道基準之間存在哪些沖突，然后再決定是否應該舍棄某些可能存在問題的基準（通過放棄某些擬合計算約束條件來實現），這種復雜擬合建坐標的功能使得激光跟蹤儀可以代替各種機械工裝檢具來檢測白車身和沖壓件。具體方法是，首先固定好零件，選擇工裝檢具檢測時的定位元素（包括定位面和定位銷）作為建坐標的參考基準，這樣擬合得到的工件坐標系，就準確再現了機械檢具檢測時使用的工件坐標系，此時測量出的工件偏差和機械檢具檢測出的偏差數據一致，能準確反映工件的實際狀態(tài)。這就是所謂的“電子工裝”技術。白車身、焊裝夾具、檢具的檢測需要遵循的原則就是，建坐標的基準和實際工件的安裝定位基準或者工作基準保持一致，這樣才能最大限度的減小測量坐標系帶來的誤差。采用這種基于數學模型的“電子工裝”技術，在節(jié)省下制造機械工裝的高額成本的同時也省去了對這些機械工裝進行檢測和維護的人力資源，可以大大提高生產效率。

　　此外，激光跟蹤儀也可以用于汽車外形設計。由藝術家在木模上雕刻設計的新車型，需要精確的變成計算機中的數學模型，在以往，這需要一臺造價不菲的高精度大型導軌式三坐標測量機，而現在一臺TrackerIIPlus激光跟蹤儀，配合其功能強大的測量軟件就能完成這套復雜的逆向工程，激光跟蹤儀形式多樣的動態(tài)掃描工作方式，能夠精確反求出空間自由曲線、曲面的數學模型，從而大大降低沖壓模具的生產制造成本，同時，激光跟蹤儀也可以用于這些沖壓模具和工件的檢測。

　　激光跟蹤儀測量技術在我國的汽車生產在線檢測領域還是方興未艾，在汽車制造業(yè)中推廣應用有著廣闊的前景。