光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)可以快速有效地保證對控制精度的工裝及零部件本身的精度進(jìn)行測量，通過穩(wěn)定有效地檢測數(shù)據(jù)的輸出，對汽車制造業(yè)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。本文對光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用范圍以及系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

      對于現(xiàn)代化的汽車企業(yè)來說，能夠有效地縮短新車型的開發(fā)周期，又快又好地制造出符合設(shè)計要求的產(chǎn)品，是企業(yè)最核心的競爭力。針對這種需求的出現(xiàn)，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的快速、精確和便捷的大尺寸測量手段應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過幾代產(chǎn)品的變革，一系列光電式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的也伴隨著汽車行業(yè)中的廣泛運(yùn)用而顯得尤為重要。

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)

      1.系統(tǒng)組成

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)（相機(jī)）、采點(diǎn)系統(tǒng)（碳纖維測量光筆及測針）以及電腦與測量軟件組成。在光筆的筆身上，至少裝有3個點(diǎn)光源（發(fā)光二極管或回光反射標(biāo)志點(diǎn)）以及一個專用于接觸式測量的球形測頭。

      2.工作原理

      光筆測量儀采用精確的攝影測量技術(shù)，相機(jī)通過測量鑲嵌在光筆上的多個紅外發(fā)光二極管（LED）的坐標(biāo)，得到測量光筆在空間的位置和姿態(tài)，光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)工作原理如所示。由于光筆底端的測針經(jīng)過精確校準(zhǔn)，與光筆的幾何關(guān)系惟一確定，被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)就可以精確計算出來。

      3.系統(tǒng)特點(diǎn)

光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)能提供最精確的測量方案、完整及強(qiáng)大的檢測方案以及快速易掌握的測量方案，是真正的便攜式設(shè)備。其具體優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：

      （1）測量精度高 作為一套基于攝影測量技術(shù)的光學(xué)坐標(biāo)測量系統(tǒng)，光筆測量儀可以實現(xiàn)30m的大范圍測量。采用專利的圖象處理與相機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)，空間長度測量精度可達(dá)22mm，具備動態(tài)參考模式、快速校準(zhǔn)功能、自動對齊功能及連續(xù)監(jiān)控參數(shù)。

      （2）測量速度快 光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)硬件設(shè)備為手持，無臂式設(shè)備，可進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，使用光學(xué)反射靶自動對齊實現(xiàn)同一批產(chǎn)品的快速測量。

      （3）輕便易攜帶 便攜性好，適合車間現(xiàn)場使用。整套設(shè)備（含電腦）裝在一個長1m的拉桿箱內(nèi)，質(zhì)量不超過30 kg。進(jìn)行測量作業(yè)時，將相機(jī)放置在工件附近連好電纜，打開電腦即可開始測量，不需要設(shè)備預(yù)熱等準(zhǔn)備工作。光筆質(zhì)量約450g，非常輕便。

      （4）良好的擴(kuò)展性 光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)可動態(tài)擴(kuò)展測量范圍而不會降低精度，無需采用蛙跳法測量，也無需額外手動對齊設(shè)置，使用者移動部件無需重新對齊數(shù)據(jù)，從而減少重新建立坐標(biāo)參考系的次數(shù)，減小累計誤差。

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)應(yīng)用范圍

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可實現(xiàn)部件與CAD圖樣的對比分析、3D模型對比原件及生產(chǎn)工裝的一致性評估、加工產(chǎn)品與原件的一致性評估、工裝的檢測和調(diào)整以及幾何實體的逆向工程（包括球體、圓柱體和平面等）。

      該設(shè)備在汽車工業(yè)中的應(yīng)用尤為廣泛，一般應(yīng)用在車身工裝的檢測、焊裝夾具檢具的檢測、鈑金件夾具的控制、內(nèi)飾件及夾具的檢測、汽車地盤的控制、汽車零部件的檢測、車燈的控制和制動系統(tǒng)部件的控制上。

      實際操作流程主要分為檢測汽車工裝安裝基板的平面度，建立需檢測工件的坐標(biāo)系，然后檢測工裝各控制型面和定位銷，通過多次檢測并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比確定工裝夾具的重復(fù)性，最后將部件在工裝夾具上裝夾好后，對零部件進(jìn)行測量，并與CAD模型進(jìn)行實時比對，確認(rèn)零件的符合性。

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

      傳統(tǒng)的測量臂三坐標(biāo)測量系統(tǒng)包括第一代固定式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)和第二代關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，兩代測量系統(tǒng)受工作現(xiàn)場操作環(huán)境影響較大（包括溫度、濕度等），導(dǎo)致測量精度降低，日常機(jī)械維護(hù)及磨損使得維護(hù)成本較高；同時空間移動受限制，便攜性較差，操作性上也不符合人體工程學(xué)，斷光續(xù)接難度大，測量死角較多。與之相比，第三代光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

      1.精度對比

      光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)單點(diǎn)重復(fù)精度可達(dá)0.025mm，空間精度可達(dá)0.085mm，測量速度為30點(diǎn)/s，可同時滿足靜態(tài)和動態(tài)測量模式，而固定式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)空間精度僅為（3+4L/1000）um，且只能滿足靜態(tài)測量模式，關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)精度與光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)可以保持一致，但也僅限于靜態(tài)測量模式。

      2.測量范圍對比

      固定式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)測量范圍由測量軸行程決定，一般只能專機(jī)專用；關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量系統(tǒng)測量范圍受制于關(guān)節(jié)臂長度，一般為2.4m、3.0m或3.6m等規(guī)格，用于小型物件的測量，如果實現(xiàn)“蛙跳”擴(kuò)展測量，會造成精度損失。光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)無空間限制，可快速實現(xiàn)“蛙跳”擴(kuò)展測量，精度不受影響。

      3.使用維護(hù)對比

      固定式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)需提前半小時預(yù)熱，需將被測物體放置于機(jī)臺上固定，不能自動識別測針，需要機(jī)械維護(hù)且易磨損，設(shè)備需廠家定期校準(zhǔn)。關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量系統(tǒng)體積大，使用時需配重型三角架或磁力吸盤實現(xiàn)穩(wěn)定，不能快速安裝，不能自動識別測針，搬運(yùn)及組裝過程中易發(fā)生磕碰損壞，設(shè)備需廠家定期校準(zhǔn)。而光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)無線無臂，安裝時間短，無需預(yù)熱，無任何機(jī)械的磨損和連接，可自動識別測針，設(shè)備可自行校準(zhǔn)，比較起來維護(hù)成本較為低廉。

      結(jié)語

      伴隨汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，整車的品質(zhì)要求不斷提高，對白車身及零部件的制造精度，提出了更高的要求，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)的檢測系統(tǒng)必不可少。光筆三坐標(biāo)測量系統(tǒng)可以快速有效地保證對工裝夾具及零部件本身的精度進(jìn)行測量，穩(wěn)定有效地輸出檢測數(shù)據(jù)，對汽車工業(yè)的發(fā)展起到了積極的推進(jìn)作用。

     比亞迪汽車有限公司成立于2003年，在致力于為各年齡段消費(fèi)者打造夢寐以求產(chǎn)品的同時，近幾年呈現(xiàn)出驚人的發(fā)展速度。公司通過垂直整合和最新能源進(jìn)展的創(chuàng)新電動汽車和技術(shù)，從比亞迪股份有限公司這一控股集團(tuán)旗下的數(shù)個兄弟公司中脫穎而出。比亞迪汽車近年來產(chǎn)量逐年翻番，預(yù)計2011年產(chǎn)汽車70萬輛，且均為中國最暢銷的一些車型。消費(fèi)者出于諸多理由，尤其是對產(chǎn)品價值和質(zhì)量的信賴，樹立了對比亞迪汽車品牌的堅定信心。

     比亞迪汽車測試工程師周先生解釋說：“比亞迪之所以發(fā)展如此迅速，歸功于其在優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)方面的成功。但是若要實現(xiàn)始終如一的卓越質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，必須對能夠進(jìn)行精確且可靠的測量校驗解決方案進(jìn)行投資。我們在裝配流程之前和裝配過程中使用這些系統(tǒng)，確保所有產(chǎn)品零部件都完全符合設(shè)計規(guī)格?！?/p>

     車間內(nèi)的測量挑戰(zhàn)

     汽車生產(chǎn)流程是一個主動裝配點(diǎn)，要將眾多不同形狀和尺寸的組件組裝在一起得到成品。對于比亞迪汽車而言，一些主要零部件是由公司自主生產(chǎn)的，其他零部件則是外包生產(chǎn)。由于裝配過程中每個步驟所需的計量技術(shù)存在巨大差異，因此出于質(zhì)量控制和裝配目的而進(jìn)行的測量校驗可謂一大挑戰(zhàn)。僅在焊接線上，就必須對數(shù)米長的車身焊裝夾具以及直徑數(shù)毫米的定位銷進(jìn)行測量。

     周先生表示：“我們所需測量物件的尺寸和特性都截然不同。通常需要使用卡鉗、針規(guī)和高度尺/幾何尺等一系列傳統(tǒng)測量工具才能滿足車間內(nèi)的各種檢測需求。而在測量過程中由一種工具切換到另一種工具會浪費(fèi)大量時間，且仍無法提供我們所需的精密度和準(zhǔn)確度?！?/p>

事實上，真正精確的測量不太可能僅依賴傳統(tǒng)工具。對于大型汽車零部件尤為如此，原因是大部分傳統(tǒng)工具都無法對其進(jìn)行精確或適當(dāng)?shù)臏y量。即使進(jìn)行重復(fù)嘗試，但仍會不可避免地出現(xiàn)以毫米計（而非微米）的不可接受的測量誤差。

     提升精密度的備選方案

     為解決測量精密度的問題，比亞迪將固定式三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)視為一個備選方案。固定式三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測量精密度和可重復(fù)性，但其便攜性和靈活性有限。通常每一套都需要巨額投資，尤其是需要較大的專屬測量室，其中必須具有受控環(huán)境來容納和操作這些類型的坐標(biāo)測量機(jī)。

     同時，由于不得不將零部件在生產(chǎn)線和用于檢測的測量室之間來回搬動，這也使得生產(chǎn)流程的勞動密集程度進(jìn)一步提高。相較于傳統(tǒng)測量工具，盡管固定式三坐標(biāo)測量機(jī)能夠為比亞迪帶來更大程度的測量精密度，但其高昂的安裝、維護(hù)費(fèi)用以及操作的不便利性使得這一可行性解決方案吸引力不高。

     比亞迪希望獲得固定式三坐標(biāo)測量機(jī)的精密度和準(zhǔn)確度，但又不愿受其體積限制。周先生繼續(xù)說道：“我們需要的是一個可以在任何地方進(jìn)行配置的系統(tǒng)，它必須易于操作，更重要的是能夠提供測量結(jié)果的精確性和一致性，使我們一如既往地保持產(chǎn)品的卓越品質(zhì)?！?/p>

     理想的解決方案是一個便攜式、關(guān)節(jié)臂式的三坐標(biāo)測量機(jī)，即一個能夠人工操作的測量臂，從而為用戶帶來精密度、準(zhǔn)確度和便利性。位于測量臂末端的球形測量頭能夠在一個物體上的各個位置定向，以收集需要在電腦 CAD/CAM 軟件中進(jìn)行處理的單獨(dú) 3D 數(shù)據(jù)點(diǎn)。便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)可配置在汽車裝配線上，而無需將零部件搬運(yùn)至設(shè)備所在的地方。這樣就能夠同時節(jié)省大量的時間、勞力和成本。

     “在對諸如資本投資、產(chǎn)量、測量精密度和便利性等主要因素進(jìn)行仔細(xì)分析后，我們決定使用便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)和精選的FARO Technologies計量技術(shù)解決方案來滿足我們的質(zhì)量檢測需求，”周先生表示，“事實證明這是比亞迪的一個正確選擇，在FARO的幫助下，我們真正享受到任何其他類型的系統(tǒng)都無法比擬的測量便利性?！?/p>

更強(qiáng)的信心更高的產(chǎn)能

     目前，比亞迪汽車擁有大約20臺FARO鉑金測量臂。比亞迪位于深圳、西安、長沙和惠州的汽車生產(chǎn)基地都配備了FARO便攜式三坐標(biāo)測量臂，以協(xié)助進(jìn)行優(yōu)質(zhì)測量校驗。所有收集到的數(shù)據(jù)都將通過FARO的CAM2軟件（又稱Geomagic軟件）進(jìn)行處理。

     隨著車間內(nèi)配備FARO測量臂，比亞迪能夠使用一種工具來測量各種尺寸和型號的所有汽車零部件。周先生補(bǔ)充說：“憑借該測量臂的靈活性，我們不僅能夠測量和控制小型汽車組件的質(zhì)量，也能掌控具有非凡精密度的大型零部件的質(zhì)量。FARO設(shè)備的堅固耐用還可以承受我們嚴(yán)苛的車間條件；并且即使在非受控環(huán)境下也可實現(xiàn)精確性和可靠性?！?/p>

     對于比亞迪而言，F(xiàn)ARO測量臂具備了該公司尋求的一切優(yōu)點(diǎn)。周先生指出：“我們確實偏愛該六軸旋轉(zhuǎn)所帶來的靈活自如的特性。其無限旋轉(zhuǎn)使我們能夠進(jìn)行全方位測量，即使在難以觸及的位置或不便的角度。電源組軟件還易于掌握，幫我們節(jié)省了大量寶貴的時間。此外，F(xiàn)ARO強(qiáng)大的售后團(tuán)隊使我們無需擔(dān)心任何可能發(fā)生的停機(jī)事件。

     隨著FARO解決方案的應(yīng)用，比亞迪汽車擁有了完整的檢測和測試流程。工程師能夠在設(shè)計階段之初就確保固定部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，質(zhì)控人員能夠進(jìn)行有效和客觀的評估、校準(zhǔn)，以保持產(chǎn)品的卓越品質(zhì)?！爸恍栎^短的設(shè)備安裝時間和簡便易用的控制，就能迅速對各項質(zhì)量進(jìn)行檢測并收集數(shù)據(jù)，然后生成報告”，周先生表示，“這確實為我們簡化整個生產(chǎn)流程提供了幫助?！?/p>

     FARO的幫助使比亞迪實現(xiàn)了出色的產(chǎn)量和質(zhì)量，而這是其他任何測量解決方案都無法企及的。測量效率大大提高，但工時卻有所降低。周先生解釋說：“使用固定式三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行質(zhì)量校驗需要一整天的時間，而我們現(xiàn)在只需3～4h就能完成。FARO的測量解決方案迅速成為比亞迪日常運(yùn)營中不可或缺的一個組成部分?！?/p>

     FARO解決方案不僅帶來更大的便利性和更高的產(chǎn)能，還使比亞迪汽車能夠精確、一致并充滿信心地測量其產(chǎn)品。這一非凡的結(jié)合將成為引領(lǐng)比亞迪獲得未來輝煌的重要因素。

      與傳統(tǒng)的手持工具和傳統(tǒng)的固定式三坐標(biāo)測量儀相比，便攜式三坐標(biāo)測量儀的優(yōu)點(diǎn)。汽車制造商使用的傳統(tǒng)工裝種類繁多，包括機(jī)械師、質(zhì)檢員、工程師一直都在使用的各種手持測量儀。有塞尺、千分尺、游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、間隙槍等，幻燈片上僅舉幾個常見的例子，這些都是用戶所熟悉的多年來一直提供值得信賴的測量結(jié)果的工具。其他的傳統(tǒng)工裝為固定式三坐標(biāo)測量儀，通常有三種類型，分別是橋式、龍門式和懸臂式（水平）。

      這些設(shè)備存在一些固有缺陷。它通常包括以下不足之處：精度低、可重復(fù)性和再現(xiàn)性差；人與環(huán)境因素增加了記錄結(jié)果的變化性；無法到達(dá)難以觸及的區(qū)域；而且這種測量往往極其耗時，比如，對一輛汽車的 650 個點(diǎn)進(jìn)行測量并記錄需要花費(fèi)約 4 小時的時間。

      另一個例子，卡尺——當(dāng)前使用的最廣泛使用的手持式儀器之一。

      除非被測物能夠完美地對齊卡尺的軸線，否則會引入設(shè)備角度偏差，這是難以避免的誤差源?？ǔ邔@示基于距離 AB 的測量值。該部分的實際長度為 CD。AB 和 CD 之間的差值即為誤差，由于卡尺的偏轉(zhuǎn)，測量結(jié)果通常會大于待測零件的實際長度值。另外，使用卡尺時還需要注意其規(guī)格中的累積誤差。要通過校準(zhǔn)，分辨率為 0.001 英寸的帶表卡尺，測量長度時精度必須處于 0.001 英寸范圍內(nèi)，且平行度誤差不超過 0.001 英寸。但是對于較大零件的測量而言，會同時受到這兩方面的誤差影響。在此情況下，可能的誤差將達(dá)到 ±0.002 英寸。

      另外，工具可能會受到千分尺中滾軸螺紋的誤差的影響，即千分尺的螺紋引入的兩個誤差源——其一為螺紋旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的螺紋搖擺，其二為公螺紋和母螺紋的螺紋斜面間無法完美嚙合而導(dǎo)致的誤差。此類誤差是設(shè)備的固有設(shè)計誤差，意味著需要花費(fèi)較大的代價對設(shè)備進(jìn)行良好的保養(yǎng)、維護(hù)和校準(zhǔn)才能確保它們能夠在不同的情況下用于準(zhǔn)確測量。即便如此，它們也不能夠較好地測量某些特征，例如內(nèi)徑。環(huán)境因素也會影響到這些手持工具的精度。溫度波動不僅會造成設(shè)備（和被測物）膨脹和收縮，而且持續(xù)的溫度升高和下降還會造成千分尺主軸、砧座甚至是螺紋特性的永久性變化。這會在制造過程中由于金屬的應(yīng)力釋放而發(fā)生。雖然傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量儀十分精確且可重復(fù)性高，但是仍然存在諸多缺點(diǎn)。

      首先，三坐標(biāo)測量儀需要在恒溫室才能獲得正確的結(jié)果，被測物體必須放置三坐標(biāo)測量儀的測量平臺上。如上一張幻燈片所示，固定式三坐標(biāo)測量儀的建造方式?jīng)Q定了其無法進(jìn)行測量過于龐大的物體。結(jié)果導(dǎo)致制造商在測量某些產(chǎn)品時通常需要將固定式三坐標(biāo)測量儀與手持工具或成本較高的測量夾具相結(jié)合，如此才能夠測量大型的或形狀特殊的物體。且由于三坐標(biāo)測量儀需要占用一定的空間，必須為其分配較大的專用空間。它無法像制造車間一樣精簡，因為整個空間必須專門用于其測量目的。在此圖中，您將看到三坐標(biāo)測量儀不僅本身需要較大的空間，而且所建造的用于往返輸送物體的跟蹤系統(tǒng)也需要占用空間。這是極其麻煩的，尤其涉及到大型零件時。

      最后，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量儀的擁有成本相對較高。不僅購買和安裝成本高，而且維護(hù)成本也十分昂貴。雖然傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量儀十分精確且可重復(fù)性高，但是仍然存在諸多缺點(diǎn)。首先，三坐標(biāo)測量儀需要在恒溫室才能獲得正確的結(jié)果，被測物體必須放置三坐標(biāo)測量儀的測量平臺上。如上一張幻燈片所示，固定式三坐標(biāo)測量儀的建造方式?jīng)Q定了其無法進(jìn)行測量過于龐大的物體。結(jié)果導(dǎo)致制造商在測量某些產(chǎn)品時通常需要將固定式三坐標(biāo)測量儀與手持工具或成本較高的測量夾具相結(jié)合，如此才能夠測量大型的或形狀特殊的物體。且由于三坐標(biāo)測量儀需要占用一定的空間，必須為其分配較大的專用空間。它無法像制造車間一樣精簡，因為整個空間必須專門用于其測量目的。我們可以看到看到三坐標(biāo)測量儀不僅本身需要較大的空間，而且所建造的用于往返輸送物體的跟蹤系統(tǒng)也需要占用空間。這是極其麻煩的，尤其涉及到大型零件時。最后，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量儀的擁有成本相對較高。不僅購買和安裝成本高，而且維護(hù)成本也十分昂貴。因此，與傳統(tǒng)的手持工具相比，汽車制造商或 OEM 使用便攜式三坐標(biāo)測量儀將獲得諸多益處。

      雖然手持工具可為機(jī)械師和制造商等提供快速和可靠的測量結(jié)果。但是，隨著零件和產(chǎn)品的日趨復(fù)雜化，這些手持工具的固有誤差將變得越來越不可接受。與傳統(tǒng)的固定式三坐標(biāo)測量儀相比，汽車制造商或 OEM 使用便攜式三坐標(biāo)測量儀還具有其他許多優(yōu)勢。包括：無線操作和以電池供電的方式，使其可在需要時在生產(chǎn)工廠中方便地移動；與固定式三坐標(biāo)測量儀相比，便攜式三坐標(biāo)測量儀不受測量環(huán)境的限制執(zhí)行測量前，無需適應(yīng)環(huán)境溫度便可開始測量，維護(hù)量少；總而言之，便攜式三坐標(biāo)測量儀可提供更高的精度，可輕松地報告并跟蹤結(jié)果，它能夠滿足當(dāng)前汽車市場的需求。