关节臂扫描仪在复杂骨架焊接总成测量中的应用

梁伟 程森锋 平颖超 王亚微 李忠顺 周博 郑家彬 李剑

摘 要：客车前围骨架焊接总成结构最复杂，焊接后的变形导致成品与设计状态存在较大偏差，文章描述应用关节臂扫描仪和CATIA三维软件，经过测量、拟合和分析三个步骤，研究制造精度的检测方法，以此提升客车的制造水平。

关键词：关节臂扫描仪；CATIA；骨架焊接总成；测量

中图分类号：U463.83+1 文献标志码：A 文章编号：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

客车行业内普遍将车身骨分为六大片，分别是：前围骨架焊接总成、后围骨架焊接总成、顶盖骨架焊接总成、左侧围骨架焊接总成、右侧围骨架焊接总成、地板骨架焊接总成[1]。前围骨架焊接总成，是由多个横梁和纵梁焊接形成复杂的空间框架，焊接后收缩变形严重；其中左侧A柱和右侧A柱为双曲部件，定位困难；前围骨架焊接总成与前围蒙皮、前乘客门、前保险杠等诸多部件存在装配关系，因此前围骨架焊接总成的制造精度检测，成为质量控制中非常重要的一个环节，所以需要一套准确的、切实可行的测量方法。

1 基于关节臂扫描仪的测量

本文中提及的关节臂扫描仪由基座、关节臂主机、测头、数据处理盒及电脑软件组成[2]，具有简单便携，精准可靠的特点，适用于车间现场测量环境。

关节臂主机的每个臂可以围绕关节自由旋转，操作员手工移动测头，末端的红宝石接触工件表面，操作员手工点击确认被测量点，利用计算机上携带的测量软件计算出被测点的坐标位置[3]，完整测量后形成点云数据，并可用于后续的数据处理。

具体测量步骤如下：

将客车前围骨架焊接总成固定在表面平整的工作台上，并根据结构进行有效的支撑和固定，以减少变形和位移。由于本文中提及的前围骨架焊接总成，左侧B柱、前围顶上横梁和右侧B柱这三个零件的后表面处于同一平面上，因此将这三个件的后表面作为固定基准放在工作台上。

本文中提到的前围骨架焊接总成尺寸为1300mm×2500mm×3100mm（X向、Y向、Z向）[4]，超出关节臂扫描仪测量范围，需要通过蛙跳技术（leap frog）完成同一坐标系下的多次测量[5]。蛙跳技术是通过三个蛙跳球过渡，移动关节臂扫描仪，使移动前后测量的所有数据坐标系一致，从而扩大使关节臂的测量范围，用于测量大尺寸零部件[6]。

测量完成后将数据保存，并可另存成IGS格式数据[7]，用于后续的数据拟合。

2 基于CATIA的数据拟合

2.1 数据拟合基准点的选取

在前围顶上横梁的前表面设计一个直径6mm以上的中心孔，此孔中心点处于基准Y平面，以此中心点为数据拟合基准点的优点是：（1）在前围顶上横梁制件阶段，此孔容易加工，并且精度好控制；（2）在现场测量阶段，此孔朝上便于现场测量；（3）在数据拟合阶段，使用软件命令便于快速对齐。

2.2 数据拟合

具体拟合步骤如下：

基于CATIA软件的装配设计模块，将测量数据与设计数据在基准点位置对齐。对齐后其他点与设计数据是有很多偏差的，如图1所示，通过使用软件中的旋转命令，围绕基准点具有多方向的旋转自由度。

将远离基准点的某处局部重合完成数据拟合。在I处局部重合时，所取点在不同平面和曲面上，重合偏差应尽量趋近于零，起到完全限制以基准点为旋转中心的自由度，以便后续对其他部位（下文以图中II处为例）做定性分析和偏差值测量。应用此方法，局部重合的位置不是唯一的，可以通過多次选取比较，从中选取最优拟合方案。

3 偏差分析

如图2所示，以右侧A柱与风窗下横梁交汇处（即图1中II处）为例，进行测量与分析。

对测量点进行编号。右侧A柱外表面和前表面的测量点编号为：点A1、点A2、点A3、点B1、点B2、点B3，风窗下横梁外表面和上表面测量点编号为：点C1、点C2、点C3、点D1、点D2、点D3。

基于CATIA软件的装配设计模块中的测量命令，测量点与设计数据的偏差值，并记录到如表1所示的表格中。

对表1中偏差值进行分析，依据经验偏差大于2.0mm的部位都需要分析，表1中涂颜色部分的曲面点B1、曲面点B2、曲面点B3在X方向偏差超过2mm，分别为4.94mm、6.41 mm、6.51 mm，表明右侧A柱与理论位置偏差较大，局部有向车后方偏差的趋势，这将导致右侧前乘客门骨架洞口X向尺寸偏小，影响后续乘客门安装时的匹配度，是严重问题点应予以改正。

曲面点D1在Z方向偏差超过2mm，而邻近的曲面点D2、曲面点D3偏差小于2mm，表明风窗下横梁的末端在上表面存在折弯变形，考虑到此横梁上表面不是装配面，不影响后续装配，可以不作为问题点。

4 结束语

关节臂扫描仪在复杂骨架焊接总成的检测中优势明显，可应用于首台样件的检测和指导焊接夹具的调试等方面。随着对检测方法更加深入研究与应用，将极大地提升客车骨架焊接制造水平，具有较大的实用价值。

参考文献：

[1]刘开春.客车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]林铿.关节臂式坐标测量机的误差分析与补偿研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[3]孙增玉.关节臂式坐标测量机标定技术的研究[D].天津：天津大学，2008.

[4]GB/T 3730.3-1992.汽车和挂车的术语及其定义车辆尺寸[S].

[5]孙中升.关节臂扫描仪在大尺寸测量中的应用[A].2008年江苏省计量测试学术论文集[C].江苏省计量测试学会，2008：72-74.

[6]潘伟.关节臂扫描仪的校准方案与选择[J].计测技术，2013（S2）：39-40.

[7]杨进.便携式三坐标测量机在水轮机叶片检测方面的应用[J].科技与企业，2014（14）：438.