提高汽车车身零件的三坐标测量

提高汽车车身零件的三坐标测量的精度和效率哈飞汽车质量保证部2004年9月13日目录一、建立正确的零件坐标系，是实现汽车车身零件精确测量的基础1、建立正确的零件坐标系的重要性2、建立坐标系的原则和基准的选择3、建立坐标系的方法和应用4、三阶平面在建立坐标系中的应用5、临时坐标系的运用6、建立零件坐标系过程的自动测量二、正确的零件夹紧方案是汽车车身零件测量精度的保证1、夹紧方案选择2、FIVE U-unique柔性夹具系统在车身零件夹紧定位上的应用三、测量方案的选取1、编制自动测量程序，实现车身零件的自动测量2、单件零件的测量3、矢量点的测量四、测量的准备阶段——探针的校准，是精确测量的保证和前提五、测量数据的处理和应用[摘要]：本文从零件坐标系的建立，测量基准的选择，测量方案的制定、测量夹紧方案的选择、以及自动测量程序的编写等方面内容，结合实际工作中积累的经验和研究对如何保证汽车车身零件的三座标测量的精度和提高测量的效率进行了论述。

[关键词]：三坐标测量机测量坐标系基准精度效率测量方案[前言]：随着汽车工业的高速发展，行业间的竞争也更加激烈，而质量是赢得竞争的基础，不论是对冲压件还是焊接总成零件的质量要求都越来越高，对测量工作也提出了更高的要求。

三坐标测量机以其快捷、精确、方便的特点在汽车制造业发挥着越来越大的作用，成为质量控制不可缺少的手段。

利用三坐标测量机强大的空间检测能力和分析计算功能可以实现对汽车车身零部件快速准确的测量，提供形状、尺寸、和位置的完善测量，并可执行包括首件检测、轮廓测量、逆向工程、焊接生产线的夹具调整、过程控制以及文件归档等在内的多种测量与检测任务，从而为降低开发研制周期，进行产品全过程控制，提高产品的质量，增加经济效益，提高产品的竞争力作出贡献。

简化测量机的使用方法、减少人机对话实现自动测量减少人为因素造成的误差、缩短测量工时提高利用率是三坐标使用中的主要课题和研究探索的方向。

汽车生产的大批量性和汽车零部件的多样性及新品开发的速度都要求我们在利用三坐标测量机进行测量时，在保证测量精度的条件下快速提供检测数据，为汽车的科研生产保驾护航。

一、建立正确的零件坐标系，是实现汽车车身零件精确测量的基础1、建立正确的零件坐标系的重要性建立合适的零件坐标系，是保证测量精度的前提和测量工作的基础，在正确的坐标系下进行的正确的测量才能真实地反映一个零件的制造水平，对生产才会有真正的指导意义。

建立正确的坐标系是等于成功了一半，错误的坐标系只会导致测量的失败。

在三坐标测量中，首先要做的就是建立零件坐标系。

在传统的测量手段中，必须经过复杂的手工调整过程来进行零件基准的找正，费时费力，有时要得到某一测量数据，甚至需要复杂的手工计算才能实现。

计算机在三坐标测量机上的应用和计算机强大的计算功能使机器坐标系和零件坐标系之间的自由灵活转换成为可能，零件的找正不再需要复杂的零件调整，而是通过对基准元素的测量，由测量软件建立起零件与三坐标测量机之间的数学关系，即建立起零件坐标系来完成的。

零件在测量机中放置的位置和摆放的姿态对测量的精度没有任何的影响。

这也是三坐标检测与传统测量手段相比存在的巨大优势之一。

2、建立坐标系的原则和基准的选择在三坐标测量中，所建立的零件坐标系与机器坐标系的数学关系的矩阵表达式为：a1，b1，c1a2，b2，c2a3，b3，c3d1，d2，d3其中a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1， c2， c3表达了零件坐标系与机器坐标系的三根坐标轴之间的空间角度关系，d1，d2，d3则表达零件坐标系与机器坐标系坐标原点的相对关系。

零件上某一点的坐标值和机器坐标值之间的数学换算关系如下：x轴：x′=a1x+b1y+c1x+d1y轴：y′=a2y+b2y+c2y+d2z轴：z′=a3z+b3z+c3z+d3从以上公式可以看出在建立零件坐标系过程中的每一误差都将影响在此坐标系中所进行的所有测量活动和测量结果。

以我公司路宝车的白车身测量为例，其中的一个焊接基准为后纵梁的上翻边，一般情况下，在白车身的测量中我们都会选择其作为测量的一个支乘点并作为建立坐标系的基准元素，但因为路宝车的后纵梁被设计成吸能梁，因此其强度较低，在制造过程中，后纵梁会产生较大的变形，如果选用其作为建立零件坐标系的基准元素必然导致测量的不准确。

检测结果反映不了车身的真实制造水平。

因此基准元素的选择在坐标系的建立及以后的测量中都是至关重要。

一般来说，在建立零件坐标系时要遵循测量基准和设计基准、工艺基准或装配基准相一致的原则，根据产品图纸或工艺基准书来进行基准元素的选择，而且所选取的参考几何元素要具有小误差（即选择的元素要有足够的制造精度）和大范围（要涵盖所要测量的尺寸）的特点。

所选择的元素可以是平面、圆孔、方孔、长圆孔、点等任意几何元素。

一般情况下，可以利用平面、长轴（包括构造平面或长轴）类的元素来确定坐标系的坐标轴方向，而原点的坐标几乎可以用任意一类的几何元素来确定。

在选择基准元素时，既可以选择零件上的几何元素，也可以选择测量夹具、验具或焊接夹具上的基准孔、基准球或基准面等几何元素。

在具体的测量中要结合测量的目的和实际情况来灵活选用。

在某些夹具的设计中，为了加工的方便，给定的基准坐标值并非其在数模坐标系统中的坐标值，这时需要利用图纸进行必要的坐标转换来求得你所需的零件坐标系。

利用专用测量夹具，焊接夹具或验具上的基准球或基准孔等直接建立零件坐标系，这种方法操作简便，效率高，精度高，但也必须配备较昂贵的专用测量夹具和检具，使它的应用受到一定的限制。

3、建立坐标系的方法和应用在当前的三坐标测量机中，都是使用卡笛尔坐标系，遵循右手法则。

在基本的建立坐标系的过程中，是按照先确定坐标系的第一根轴，再确定第二根坐标轴，然后确定坐标系的原点后进行必要的平移、旋转来得到所需要的零件坐标系。

在不同的测量软件中，建立坐标系的方法不尽相同，多种多样，但其原理都是一样的，都是以基本的方法根据不同的情况加以变换而来，把复杂的计算和坐标转换交给计算机完成，使建立坐标系的过程更加简单、方便。

这些方法主要有：三二一法：即用三个几何元素确定坐标系的第一根轴和坐标原点的一个坐标，用两个几何元素确定坐标系的第二根轴和坐标原点的第二个坐标，用一个几何元素确定坐标原点的第三个坐标。

这种方法最少需要三个集合元素，最多使用六个几何元素。

以上的操作都是在同一个界面中完成，因此非常方便，是一种经常使用的方法。

最佳配合法：这种方法是利用几何元素的实际测量值和理论值，通过最小二乘法计算出一个坐标系，使的在这一坐标系中，实际测量点和理论坐标点的距离和最小。

这就要求所选取的几何元素的加工精度要高，并且几何元素的相对位置准确，适合于加工精度高的机加零件或利用车身零件的验具或夹具上加工精度很高的基准球或基准孔来建立坐标系。

拟合法：这种方法与最佳配合法相似，但需要使用数模，所选择的元素一般为不确定的点元素，利用零件的实际曲面与数学模型的理论曲面加以拟合。

要先建立一个粗坐标系，然后手动在零件上进行采点，由测量软件把测量到的实际值和数模上的理论值进行计算来得到所需要的坐标系。

这种方法缺乏唯一性，只在一些特殊的情况下采用。

下图表示了这种拟合关系:理论计算法：直接在测量机中输入零件坐标系的各项参数来获得零件坐标系的一种方法。

见下图X Y Z叠代法：顾名思义，叠代法就是不断用新的坐标系取代旧的坐标系的一种建立坐标系的方法。

首先先了解以下RPS 点的概念，所谓的RPS 就是英文Reference Points System 的缩写。

在国内外先进汽车行业中，平移矢量旋转矢量 新坐标系 坐标轴i当前坐标系设计图纸都标注出了参考基准点，在这种方法中用3到6个参考点来限制零件绕三根坐标轴的转动和沿三根坐标轴的移动，这些参考点是工艺设计，制造和测量的依据。

他们既可以是圆孔，方孔等特征元素，也可以是自由曲面上的非特征点，因此在汽车车身零部件的加工和测量中就尤为重要。

在我公司的现在的车身零件的设计图纸中，大都没有标出这种基准点，这应该是我们所要学习借鉴的。

因为汽车车身零件上自由曲面上的非特征点的存在，人工采点的方法是根本不可能找到所标注点的准确位置的，必须先手动在大概的方位采点，建立一个粗略的零件坐标系，在三坐标测量机上进行编程然后由测量机来按照曲面点的矢量方向和理论坐标值来寻找标注的点，通过3到5次的反复自动测量逐步逼近所标出的实际点的位置来获得精确的零件坐标系。

下面我们以减震器螺旋弹簧托座的测量为例来说明如何使用叠代法建立精确的零件坐标系。

在螺旋弹簧托座这一零件中，图纸给定的确定主坐标轴方向和主坐标轴零点的元素是在螺旋面上分布的三个曲面点，另外给定了一大一小两个孔作为基准孔来确定第二坐标轴和坐标原点的另外两个值。

由于三个曲面点的存在，根本无法用手动的方法进行准确的测量。

这种情况下，叠代法就显示出它的优势。

步骤如下：1)用手动的方法分别在三个曲面点的大约位置测量一点，并测量两个基准孔2)用采到的三点构造一个三阶平面，用三阶平面的法线方向作为主坐标轴方向，利用两个圆孔确定第二坐标轴和坐标原点，建立一粗略的零件坐标系3)在此零件坐标系下，由测量机按三点的理论坐标值和矢量方向去测量这三个曲面点，用新测到点来构造新的三阶平面，并用此三阶平面的法线作为主坐标轴，建立新的坐标系，这一新的坐标系是建立在旧坐标系基础上，取代了旧坐标系4)在新的坐标系下重复步骤3。

5)反复几次上述操作，直到三点的测量值与理论值的差小到满足我们的要求。

如果在反复的测量中，测量值与理论值的差值不是越来越小，而是发散的，则可以直接判定零件是不合格的，无需再进行进一步的测量。

4、三阶平面在建立坐标系中的应用三阶平面我们通常称之为虚拟平面，它用于空间任意取向的面元素的测量或计算。

不过，系统在数据处理之前，需要分别给定三个采样点一个平移理论距离，当理论距离均为零时则实际计算出一个三点平面。

显然它和平面既是一对孪生兄弟，又有其独特的功能。

实践证明由于有了这一特殊的功能才使的某些零件的数学找正变得更为准确，在对汽车车身的零部件建立坐标系的过程中经常得到运用。

5、临时坐标系的运用汽车白车身是由多个焊接分总成拼焊而成，而多个焊接分总成又是由若干个冲压单件组成。

在车身试制初期，尺寸的波动很大，在车身坐标系下直接测量很容易造成实测点和理论点的位置不一样，这样的话，测量出的数据也就没有准确性可言了。

为避免这一问题，一般采用建立临时坐标系的方法。

在测量点的周围找到车身尺寸相对稳定的位置，建立临时坐标系，然后在临时坐标系下对测量点进行测量。

建立坐标系的过程，可以是一次，也可以是两次，甚至多次。

在圆孔、方孔等元素的测量中也常用到这一方法。