论便携式测量工具在汽车工业的应用

　　2013年9月12日，一场便携式三坐标测量系统在汽车行业的应用在线研讨会登陆国际金属加工网，来自法如科技亚太区产品市场经理吕辉平先生带来了精彩的演讲，并详细讲解了法如便携式三坐标测量在汽车行业的优势。经国际金属加工网编辑组整理，重点解析下便携式测量工具在汽车工业的应用。——编者按

汽车工业的发展状况

　　就像 90 年代的互联网热潮一样，在运输行业中早期发展和转折阶段，即 1900 年代，关注的焦点仅局限于通过提高生产力和规模经济来降低汽车成本，从而增加销量。直至战后，汽车生产的技术才得到进一步改善，包括自动变速器、助力转向系统和制动系统、空调和 V8 发动机等在内的一系列更好、更先进的制造技术开始运用，从而促进汽车工业的发展。2000 年以后，国内乘用车需求再次受到新市场的推动，重点转移至汽车设计和创新，而零部件生产则趋向跨境方式。过去数年中，汽车工业的发展显著地带来生产技术的改变，因此测量技术要求迅速提升。在今天的汽车制造环境中，存在着太多具有挑战性的市场要求，制造商必须缩短产品上市时间、提高生产效率和生产质量，符合最高的安全标准和国际标准，应对不断增加的能源成本，了解消费者的品位，面对激烈的竞争，而且还必须是一个具有国际社会负责任的企业。
　　因此，汽车企业必须通过创新的方式和技术来实现这些目标，推动企业的发展。例如通过缩短将产品推向市场的时间，它可以实现通过统一的产品和生产生命周期，这意味着，如果将分离的串行流程转换成协作的、并行的流程，则从产品设计到汽车批量生产的时间将显著缩短，如果在虚拟环境中模拟设计和生产过程，则能够以比以往更快的速度响应不断变化的需求。另一个例子是通过提供生产效率，意味着以更少的努力做更多的事情，同时在制造过程中减少废料和无价值的活动，如此可增加产量，同时改善总投资回报率。因此，理解汽车行业的要求对于制造商的成功来说是极其关键的。多数情况下，持续推出符合需求的有价值的、可靠且富有竞争力的技术和解决方案才是取得成功的保障。

汽车工业中需要精密测量的关键
　　在新车设计阶段，制造商始终在整个行业内寻找可实现专业的汽车制造作业流程的解决方案，包括在更轻的车身、工装或模具设计、数字制图建档或制造精确且高度现实化的虚拟的数字原型等方面的需求。制造商有时会重复使用现有车辆的零件用于建造新车。该过程可让制造商节约大量的工程造价，以减少新车的开发时间。如果制造商不具有内部零件的当前 CAD 模型，则有必要对部件进行逆向工程。
对于模具设计，工程师利用部分打印原型或实体模型的原型来帮助理解他们所要创造的实物，通过精确和逼真的数字原型结合 3D 产品设计数据，设计师和工程师能够在较短的时间和以较少的精力完成设计并少犯错误，另外通过在云数据中进行汽车设计，还可减少生产时间和帮助消除错误。对于处理注塑产品，模具设计的工具和模拟能力可帮助设计师和工程师改善产品质量以及减少周期时间和模具成品。

　　在生产过程中，客户不断增加的期望要求公司探寻更先进的技术以符合新的、更高的要求，尤其是在结果一致性、精度和时间方面。在此层面上的一个应用，比如在一段时间内对同一类型的零件进行趋势分析以确保生产过程中是否一致。如果过程是一致的，则部件应完全相同并符合规格。举其中一个例子，比如检测当天早晨生产的第一个零件，第二次检测中午生产的一个零件，第三次检测末班生产的零件。检测完这三个零件，若全部符合公差要求，则可认为当天所有零件均为良品。若对冲压区生产的每一块板金件进行检测则代价过于昂贵且极其耗时。由于该数据是经过一段时间后进行收集的，因此可能需要在对生产线和工装进行修改时对结果进行分析和预测。生产过程中的其他测量活动包括生产过程中直接发生的对缺陷零件的根本原因分析、不良品的在线质量检测和识别、汽车坐标检测以及白车身部件的点焊监控等。

　　为了呈现他们的未来汽车和部件，汽车公司构建了各种粘土模型，从全尺寸汽车模型到 1/4 和 1/8 比例缩小的模型，设计师和工程师也制造出模拟的内饰和各种类型的其他零部件，如轮毂、内饰部件、方向盘等。他们通常没有新汽车的 CAD 数据，需要将实际模型转换至数字世界中，这便是直观的逆向工程和快速成型应用。一旦车辆/部件模型已扫描，数据便可以分布在整个公司进行评估和设计审查。最终设计将进行表面加工并转换成新车的虚拟模型，同时创建其他下游过程如 CFD / FEA 和风洞气流模拟过程以改善赛车的至关重要的十分之一秒并遵循在路面上飞速行驶的科学原理。拥有虚拟模型的另一好处是，可在装配实际零件之前发现潜在的问题，这一方法已被许多汽车制造商用于在实际问题发生前发现问题。一些制造商使用对来自不同供应商的多个零件进行扫描，所得数据进行虚拟装配，从而在零件运送至装配厂之前发现问题。此举可避免昂贵新车型的延迟，从而为制造商节约大量成本。

汽车制造和装配行业中的测量应用
　　下面是决定汽车座椅的安全性要求的人体工程学案例中的另一种测量应用，应用中使用便携式三坐标测量仪测量汽车座椅的“髋关节”点坐标，之后安全工程师便能够确定在发生撞车事故时乘客座椅是否处于“安全公差”范围内。还有一种常见的测量应用：是使用便携式三坐标测量仪执行生产线的安装和维护工作。典型装配线的问题通常在于：它们的长度达到 300 米，每条生产线含有 100 个工位，每个工位必须相对于其他工位精确定位和调平，且每个工位中的工装必须正确定位和核查。这些工装包括定位销位置以及将焊接机器人单元定位于其工作单元中，并确保其精确执行任务而不发生严重错误。这些问题可通过使用一台大体积便携式三坐标测量仪来解决，比如测量直径范围达 160 米的 Laser Tracker，其在 10 米范围内的典型测量精度可达 0.049 毫米（49 微米）。此测量范围通常足以覆盖整个工位，且无论是在两个工位之间进行调平，以及垂直于重力或是工装核查，其精度完全符合作业要求。
　　有时，沿着生产装配线的工装可能会移动，因此定期执行预定的工装尺寸检查，对于防止发生车身不对齐和代价高昂的质量问题而言是极其重要的。就像一辆汽车，您需要对其定期维护以确保其能够顺畅行驶一样，为了形成高效且顺利的装配，Laser Tracker 是一款适合装配线维护的设备。典型的汽车冲压钣金件包括结构件、内饰板和观察汽车时可见的面板。它们包括发动机罩、前部和后部挡泥板、车门、顶盖和行李箱盖， 可见表面的质量对于成品汽车的整车外观而言极其重要。在对所有尺寸的冲压模具进行检测时，需要使用Laser Tracker 或ScanArm 等检测工具。

　　如果被检测的板金件超出公差范围，则模具表面必须修改。对于模具而言，在能够生产出好的板件之前通常要经过数次修改。每一次的模具更改并在随后冲压出一批试验板金件进行测量。对模具表面的修改需要去除材料或增加材料。模具表面修改的结果是其不再匹配原来的 CAD 模型。在模具表面修改后，使用 Laser ScanArm 对其进行扫描便可将模具表面的修改归档，之后使用扫描数据更新 CAD 模型便可反映出所做的修改。这对于在模具运输时可能发生意外或需要复制模具的汽车制造商而言是十分实用的。在冲压模具达到可开始生产质量合格的零件之前，它们必须通过“试验”区。此处对数块板金进行冲压，然后检测它们是否符合公差。通常使用 ScanArm 或 Laser Tracker 检测模具，然后将扫描数据与模具的 CAD 模型进行对比。生产夹具用于固定位置或将位置控制为特定的方向，使得工装能够阻碍所有的自由度，从而在工件上完成重复的制造作业，因此生产夹具的所有关键部件必须使用可靠的测量工具进行检测以精确定位。

　　不良的生产夹具会导致许多问题： 部件产生不符合设计规范会导致安全问题；零件在焊接过程中错位；产品精度不合格；造成零件生产中断和停产，减少盈利产品召回，对制造商声誉造成不良影响；在返工和生产夹具的根本原因分析上耗费时间；导致工件偏离其设计标称值，引起产品整体尺寸变化。生产夹具故障的早期检测可节省成本和时间、维持良好声誉、甚至挽救生命！

　　因此，便携式三坐标测量仪应具有以下属性： 完全便携，可应对各种夹具；具有多个旋转轴和灵活的关节，是测量特殊形状和需要以不同的角度检测的最好工具；Tracker 的防水防尘等级达到 52，可在极其恶劣的环境中使用；便携式三坐标测量仪精度高，可在最需要时满足所测夹具的较小公差要求。直至安装车轮之前，钣金白车身都固定于托架上，在装配线上的托架会受到磨损和长时间受到各种应力，因此定期对夹具进行检测可确保其符合规格。如 Laser Tracker 等大体积便携式三坐标测量仪可用于整个汽车托架的在线工位检测，而 Arm 则可用于测量装配线上的较小的生产托架。

　　下一种应用为车身不对齐的根本原因分析，通常有两个主要的根本原因，可能是白车身不符合规格，或者是装配工具不符合规格，要解决这两个根本原因， 应使用便携式 Arm 或 Laser Tracker 检测内部零件若零件不符合规格，则意味着装配线出现问题，工程师可在此时调查和发现装配线中的导致不符合规格零件出现的部件，最终解决问题以生产出合格的零件。若零件符合规格，则可使用便携式三坐标测量仪来验证装配工具并在工装上进行必要的调整。间隙和面差检测是汽车装配线中最常见的成品检测。测量的目的在于检查两个几乎接触的零件的水平和垂直距离是否符合规格。例如，在车身从装配线上输出后，该命令用于测量车门的外表面与车身外表面之间的关系，确保设计公差、一致性和消除发动机运转时整车可能发出的声音。
　　汽车的 OEM 生产在决定视觉舒适度的间隙和面差控制方面的要求越来越严格，某些已达到 +/-0.3 毫米。更高的间隙和面差精度要求改善测量工具和方法，虽然使用便携式激光扫描系统配合某一第三方软件可能是极为昂贵的方式，但是它确实能够对在线测量提供重要的全方位的支持。对于数据为上的汽车公司而言，在制造平台设计中定义基准数据对于零件制造是极为重要的。例如，车身的特定区域由于角度原因难以处理。使用专为复杂形状而设计的测量设备——FaroArm，检查员必须首先确定基准位置，然后才能标记出要钻孔的正确位置。这需要用到 FARO 的软件，并需要车身的 CAD 模型进行对比。其他应用如用 CAD 零件检测，检验制造的零件是否符合设计公差范围。

便携式三坐标测量仪的优点

　　与传统的手持工具和传统的固定式三坐标测量仪相比，便携式三坐标测量仪的优点。汽车制造商使用的传统工装种类繁多，包括机械师、质检员、工程师一直都在使用的各种手持测量仪。有塞尺、千分尺、游标卡尺、外径千分尺、间隙枪等，幻灯片上仅举几个常见的例子，这些都是用户所熟悉的多年来一直提供值得信赖的测量结果的工具。其他的传统工装为固定式三坐标测量仪，通常有三种类型，分别是桥式、龙门式和悬臂式（水平）。

　　这些设备存在一些固有缺陷。它通常包括以下不足之处：精度低、可重复性和再现性差；人与环境因素增加了记录结果的变化性；无法到达难以触及的区域；而且这种测量往往极其耗时，比如，对一辆汽车的 650 个点进行测量并记录需要花费约 4 小时的时间。
另一个例子，卡尺——当前使用的最广泛使用的手持式仪器之一。
　　除非被测物能够完美地对齐卡尺的轴线，否则会引入设备角度偏差，这是难以避免的误差源。卡尺将显示基于距离 AB 的测量值。该部分的实际长度为 CD。AB 和 CD 之间的差值即为误差，由于卡尺的偏转，测量结果通常会大于待测零件的实际长度值。另外，使用卡尺时还需要注意其规格中的累积误差。要通过校准，分辨率为 0.001 英寸的带表卡尺，测量长度时精度必须处于 0.001 英寸范围内，且平行度误差不超过 0.001 英寸。但是对于较大零件的测量而言，会同时受到这两方面的误差影响。在此情况下，可能的误差将达到 ±0.002 英寸。
　　另外，工具可能会受到千分尺中滚轴螺纹的误差的影响，即千分尺的螺纹引入的两个误差源——其一为螺纹旋转时产生的螺纹摇摆，其二为公螺纹和母螺纹的螺纹斜面间无法完美啮合而导致的误差。此类误差是设备的固有设计误差，意味着需要花费较大的代价对设备进行良好的保养、维护和校准才能确保它们能够在不同的情况下用于准确测量。即便如此，它们也不能够较好地测量某些特征，例如内径。环境因素也会影响到这些手持工具的精度。温度波动不仅会造成设备（和被测物）膨胀和收缩，而且持续的温度升高和下降还会造成千分尺主轴、砧座甚至是螺纹特性的永久性变化。这会在制造过程中由于金属的应力释放而发生。虽然传统的三坐标测量仪十分精确且可重复性高，但是仍然存在诸多缺点。
　　首先，三坐标测量仪需要在恒温室才能获得正确的结果，被测物体必须放置三坐标测量仪的测量平台上。如上一张幻灯片所示，固定式三坐标测量仪的建造方式决定了其无法进行测量过于庞大的物体。结果导致制造商在测量某些产品时通常需要将固定式三坐标测量仪与手持工具或成本较高的测量夹具相结合，如此才能够测量大型的或形状特殊的物体。且由于三坐标测量仪需要占用一定的空间，必须为其分配较大的专用空间。它无法像制造车间一样精简，因为整个空间必须专门用于其测量目的。在此图中，您将看到三坐标测量仪不仅本身需要较大的空间，而且所建造的用于往返输送物体的跟踪系统也需要占用空间。这是极其麻烦的，尤其涉及到大型零件时。
　　最后，传统的三坐标测量仪的拥有成本相对较高。不仅购买和安装成本高，而且维护成本也十分昂贵。虽然传统的三坐标测量仪十分精确且可重复性高，但是仍然存在诸多缺点。首先，三坐标测量仪需要在恒温室才能获得正确的结果，被测物体必须放置三坐标测量仪的测量平台上。如上一张幻灯片所示，固定式三坐标测量仪的建造方式决定了其无法进行测量过于庞大的物体。结果导致制造商在测量某些产品时通常需要将固定式三坐标测量仪与手持工具或成本较高的测量夹具相结合，如此才能够测量大型的或形状特殊的物体。且由于三坐标测量仪需要占用一定的空间，必须为其分配较大的专用空间。它无法像制造车间一样精简，因为整个空间必须专门用于其测量目的。我们可以看到看到三坐标测量仪不仅本身需要较大的空间，而且所建造的用于往返输送物体的跟踪系统也需要占用空间。这是极其麻烦的，尤其涉及到大型零件时。最后，传统的三坐标测量仪的拥有成本相对较高。不仅购买和安装成本高，而且维护成本也十分昂贵。因此，与传统的手持工具相比，汽车制造商或 OEM 使用便携式三坐标测量仪将获得诸多益处。

　　虽然手持工具可为机械师和制造商等提供快速和可靠的测量结果。但是，随着零件和产品的日趋复杂化，这些手持工具的固有误差将变得越来越不可接受。与传统的固定式三坐标测量仪相比，汽车制造商或 OEM 使用便携式三坐标测量仪还具有其他许多优势。包括：无线操作和以电池供电的方式，使其可在需要时在生产工厂中方便地移动；与固定式三坐标测量仪相比，便携式三坐标测量仪不受测量环境的限制执行测量前，无需适应环境温度便可开始测量，维护量少；总而言之，便携式三坐标测量仪可提供更高的精度，可轻松地报告并跟踪结果，它能够满足当前汽车市场的需求。

（国际金属加工网：吕梦然）

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