三坐标测量在零件安装波动中的应用

叶领升，陈细勇，吕宁

（广汽本田汽车有限公司技术部 产品技术科，广东 广州 510700）

引言

随着汽车制造业的蓬勃发展，消费者对汽车要求日益提高，外观配合的好坏直接影响消费者的第一印象，为了不断提高车身外观品质，满足顾客需求，便携式关节臂三坐标测量机凭借其灵活应用的特点及不俗的精度，在行业中的应用越来越普及。本文将结合便携式三坐标测量机在整车测量使用“蛙跳”点坐标转移的理论分析，对“蛙跳”点的功能进行研究并优化，扩大便携式关节臂三坐标测量机在整车检证中的应用，达到优化整车检证的目的。

1 整车坐标系的建立

整车坐标系是整车上每个构成零件唯一坐标系，如图1：

图1 整车坐标系示意图

由于零件均在整车坐标系下，确认实物零件精度是否在设计公差内时，可以以三坐标在整车坐标系下对该零件进行尺寸测量。

三坐标测量机自身有坐标系，三坐标测头在每个位置所测量的坐标值均以初始坐标原点为坐标系，通过运算计算出侧头位置。如图2：

图2 三坐标测量机坐标系示意图

由于整车坐标系与三坐标测量机坐标系为不同坐标系，在进行零件测量时就必须先建立统一坐标系，可理解为整车坐标系与三坐标测量机坐标系合并。如图 3，三坐标测量机的坐标系（X’,Y’,Z’）重合至整车坐标（X，Y，Z）。

图3 整车坐标系建立后示意图

三坐标坐标系与零件坐标系重合[1]，测头测量的位置就是在整车坐标系下相对应的数据，利用测量的数据与零件的设计值进行对比，即可计算出零件实际状态与理论状态下的偏差。

2 “蛙跳”的原理

由于便携式三坐标测量机本身存在测量行程的限制，而整车空间尺寸一般较大，便携式三坐标测量机难以在同一坐标下将较大的范围一次测量完毕（如整个前围的所有配合零件）。使用“蛙跳”的方式可以，即在移动三坐标测量机的情况下也能保证在同一坐标系下完成测量。

下面讲解“蛙跳”的原理。“蛙跳”的原理如图4所示：

图4 “蛙跳”点坐标转移示意图

三坐标测量机在位置1时，三坐标测量机测量整车基准点并建立坐标系，测量三个蛙跳球A、B、C的坐标值a、b、c。并测量该部位需测量的要素；移动三坐标至位置2,保证在该位置下能测到相同的三个蛙跳点），在位置2处以三个蛙跳点（a，b，c作为坐标点）建立坐标系②，测量①坐标系下未能测量的要素；通过蛙跳点能将①②所测量的要素整合至同一坐标系下，实现较大范围的零件在同一整车坐标系下进行测量分析。

常用“蛙跳”点分球头“蛙跳”点与凹槽“蛙跳”点实物图5：

图5 “蛙跳”点示意图

球头“蛙跳”点：精度高，常用于精度需求非常高的场合，如三坐标测量机的自身精度点检等。由于体型较大，价格昂贵，一般检证较少使用。

凹槽“蛙跳”点：精度相对于球头“蛙跳”点稍差，但能满足对于整车或零件测量精度测量用，优点是价格低廉，体积小，便于一般测量使用。

从上述对“蛙跳”的理论分析得知，通过合理的布置蛙跳点，实施有效的坐标转移，可达到在同一坐标系下延伸三坐标测量机的测量范围，提高三坐标测量机在整车检证中的应用。

3 “蛙跳”功能在零件安装波动中的检证作用

3.1 “蛙跳”零件安装波动检证的理论分析

图6 使用间隙尺、段差计测量

零件在完成车上的精度不仅仅受零件本身精度的影响，同时受到安装本体定位/安装孔的精度、对手件配合位置的精度、安装手法精度波动等影响。对于零件本身精度可通过零件检具进行确认，安装本体的定位/安装孔及配合位置的精度可通过三坐标精度测量确认。而零件安装波动，如尾灯安装后外部周边的配合位置精度的波动，由于外形通常为曲面，使用三坐标测量机一般的扫描外观面难以判断具体的偏移方向。过往做法是使用测量工具（如：段差计、间隙尺等），在每次安装后测量标定点的数值。重复安装一定次数后对比每次安装后的测量数据，由此得出安装波动的精度波动量。如图6。

上述方式人工测量偏差较大，录入数据量大，容易出错。

通过对“蛙跳”点坐标转移的理论分析，“蛙跳”点理论上在检证零件安装波动是可行的，如使用三坐标测量机实现零件安装波动检证，那么就可以降低人工测量偏差及录入数据容易出错的问题。下面对“蛙跳”点在零件安装中的波动检证的原理及应用进行说明。

“蛙跳”在零件安装中的波动原理如图 7。在零件上布置“蛙跳”点1～6（“蛙跳”点的布置于零件检证相关）。因“蛙跳”点固定在零件本体，即零件在非内部变形状态下，“蛙跳”点相对于零件本体位置是固定不变的（例：“蛙跳”点1相对零件位置（a，b），与零件整体位置偏移后“蛙跳”点 1’相对零件本体位置（a’,b’）是相同的）。凭借“蛙跳”点在零件中相对位置固定不变，可以测量零件在每次安装中（一般零件的安装不会导致零件本次精度的变化）“蛙跳”点的尺寸，通过测量软件换算即可得出两次安装中的（X，Y，Z）的精确变化量。

图7 “蛙跳”点在零件安装波动中的原理图

1～6点变化量：（X- X’，Y- Y’，Z- Z’），而空间变化量（安装1与安装2每点的空间最紧距离）测量软件也可以显示。

3.2 “蛙跳”在零件安装波动检证中的应用

零件安装波动检证流程如下流程图：

图8 流程图

以尾灯安装为例，说明使用三坐标测量完成波动量数据检证：

（1）按安装零件的属性，安装波动可准备焊装的白车身、涂装后的白车身或完成车。

（2）为方便每次零件安装后坐标建立的便利性，将“蛙跳”点布置与被测零件的周边，在初次建立整车坐标后通过“蛙跳”点的坐标转移，免除每次零件安装后都重复进行整车坐标的建立（整车坐标取坐标建立点范围较大，测量难度较大）。如图9：

图9 坐标点示意图

（3）在尾灯周边布置“蛙跳”点（布置点反映尾灯周边配合重要位置），如图10：

图10 “蛙跳”测量点示意图

（4）确保车身与三坐标固定稳固，两者相对位置不变。如图11：

图11 车身与三坐标放置示意图

（5）以后围整车坐标系基准孔建立坐标，然后点测“蛙跳”坐标转移点，并将“蛙跳”坐标转移点的测量值设置成名义值，作为下次测量的整车坐标系的坐标基准孔。如图12：

图12 整车坐标系建立示意图

（6）测量尾灯周边的“蛙跳”测量点，并将测量值设定为名义值，该测量文档作为后续安装的基准。如图13：

图13 “蛙跳”测量点处理示意图

（7）尾灯拆解后，重复安装尾灯。以步骤6）建立的基准文档中的“蛙跳”点基准坐标建立整车坐标系，然后以尾灯上的“蛙跳”点的名义值基准定义测量值，测量本次尾灯安装后的数值。测量软件通过运算，直接显示次安装与第一次安装的变化量。如图14

图14 零件波动测量结果图

重复多次安装尾灯，并以步骤 7）测量每次安装后的数值与第一次安装的数值对比。

（8）将多次安装波动的数值导出，生成变化量图表 X方向变化量：

X方向变化量：

Y方向变化量：

Z方向变化量：

图15 零件安装波动量数据分析图表

从变化量图标数据能直观看出，（X，Y，Z）方向尾灯安装波动量处于较好的水准，波动量MAX为Z方向的第9,10点，在0.4mm以内，可判断该车型尾灯安装稳定性满足设计要求。同时数据也能体现出尾灯安装后波动的趋势，针对每个波动点的趋势，可使零件或对应的车身往有利方向配合改修，使外观配合跟接近规格中值，往高品质目标靠近。

4 小结

本文应用便携式三坐标测量机的测量特性，通过理论分析“蛙跳”点坐标转移的使用特性，并通过展开应用，将“蛙跳”点从坐标转移的单一功能延伸至测量零件的波动量的检证中。本文仅以尾灯安装波动为例子说明，“蛙跳”点测量零件的变化量同时可适用于“发罩/尾盖安装稳定性”，“尾盖/发罩受力检证”，“前杠下沉量检证”等相关的安装波动或受力变形检证中。对比传统的使用间隙尺/段差计等人手逐以测量，“蛙跳”点测量能体现（X，Y，Z）三方向精准的测量。“蛙跳”点测量在完成车检证中将会越来越普及。

[1] 李明,费丽娜.几何坐标测量应用技术及应用.2012年11月出版.