自动化蓝光三维扫描系统在汽车RPS质量体系中的应用研究.pdf

微信号 auto1950 /2023年 第 9 期43 Auto Manufacture|汽车制造自动化蓝光三维扫描系统在汽车RPS质量体系中的应用研究刘颖鹏，李萧宏，肖文彬中科院广州电子技术有限公司 广东广州 529090摘要:主要研究RPS的组成人员、实施步骤及相关规则等，并使用先进的自动化蓝光三维扫描系统代替传统的制造成本高、效率低的检具，使变钣金件和模具基于RPS系统的检测进一步提高了检验效率和产品质量。关键词：自动化蓝光三维扫描系统；汽车质量；RPS检测随着汽车工业技术的进步和业内人士思想观念的转变，零件尺寸精度的保证已不再仅仅是生产部门和质量保证部门的事情，而是要从产品开发阶段就开始考虑了。RPS系统就是出于这种思想被发明出来并被世界各大汽车公司投人到使用当中。为了实现统一的定位技术规则，必须保证模具、工装、检测工具都按照RPS点来制造，这一点是RPS系统最重要的作用。按照RPS方法进行设计，控制基准点统一了设计、冲压、焊0.02mm，公差范围0.005mm；工艺2的波动范围在0.0180.031mm，公差范围0.013mm；工艺3的波动范围在0.0150.022mm，公差范围0.007mm。可见，新型夹具零件形状位置精度最稳定；鸡心夹和端面驱动夹具相差不大，相对新型夹具精度不是很稳定。结语针对后桥锥齿轮的精车工序，分析了各种装夹方案的优缺点，并开发了一种新型夹具，具有装夹效率快、装夹精度高等优点。并对两顶尖+鸡心夹、两顶尖+端面驱动、新型夹具三种夹紧方式的装夹效率、装夹稳定性和装夹精度进行了试验。试验结果如下。1）装夹速度：“两顶尖+端面驱动”的夹紧速度最快，其次是新型夹具，两者差异较小，但都比“两顶尖+鸡心夹”快很多。2）装夹稳定性：新型夹具最好，其次是“两顶尖+端面驱动”。3）装夹精度：新型夹具最好，“两顶尖+端面驱动”和“两顶尖+鸡心夹”差异不大。可见，本研究开发的新型夹具在后桥锥齿轮精车加工中具有明显优点，值得推广应用。参考文献1 陈宏钧.机械加工工艺手册M.4版.北京：机械工业出版社，2016.2023年 第 9 期 /微信号 auto195044汽车制造|Auto Manufacture接、装配及检验等工艺基准，使精度质量体系贯穿设计、生产全过程。RPS系统规范及其使用说明1.目的 RPS系统的主要目的是通过统一车身零部件基准，并将这些基准在设计、制造、装配及检验过程中有效传递，提高车身系统的精度和质量，进而提高整车品质。长期以来，大量的尺寸超差一直困扰着我国的汽车车身制造，影响着车身的品质，进而影响整车品位。欧美和日韩汽车企业已经推行2mm精度控制工程多年，制造出高品质的车身，从而提升整车质量。随着车身RPS系统的深入研究和全面应用，可以在产品设计、制造、装配及检验过程中有效控制汽车零部件尺寸超差和零部件总成配合问题，进而有效改善甚至彻底解决以下几类问题：整车外观质量问题、车身系统零部件匹配问题及整车不同系统零部件总成的匹配问题。2.适用范围 适用于车身、钣金件、模具和夹具的RPS系统设计相关工作，执行于相关零部件在其整个产品研发生产阶段的设计、制造、装配及尺寸检测等工作过程，主要涉及新产品设计、模具、夹具、检具定位基准统一和公差设定等相关内容。3.RPS系统功能及组成 如果想要保证整个白车身总成的精度，那么单个零部件和各级重要总成的精度都必须是可控的。因此车身相关零部件需要进行单件的检测，同时零部件总成也要求有相应的检具来进行检测，例如前舱总成、地板总成、门总成、玻璃升降器总成及锁总成等。这些总成的精度高低，取决于单个零部件的质量、连接工艺是否合理以及零部件在整个加工过程中的基准是否一致。因此，设定车身各大零部件系统重要总成及单个零部件的RPS图，作为车身零部件的设计基准，对零部件的制造、检测和装配等生产过程进行相应的管控，来保证车身各大系统的精度和配合质量。车身零部件单件的定位基准必须考虑后续总成的定位基准继承情况，保证总成的定位基准来源于各级分总成的定位基准，各级分总成的定位基准来源于各零部件的定位基准，这也是整个RPS系统的目的所在。通过零部件单件与总成的基准统一，可以实现零部件整个生产过程的基准继承，减少由于各个工艺过程的基准不一致带来的误差。一个完整的RPS系统包括车身零部件总成RPS图和车身零部件单件RPS图。总成RPS图主要设定车身零部件总成的联接定位点、其他系统关键零部件安装点、外观质量控制点等关键点的要求，例如白车身总成不同工序的焊接定位孔、副车架安装点、悬置安装点及翼子板安装点等。根据总成RPS图的设定要求，在整个生产过程中通过对具体工艺的监控和调整，来控制车身零部件关键点的尺寸偏差，终使其满足设计要求。单件RPS图，主要表达单个零部件从车身零部件总成所继承的要素及其相应的功能与要求。在进行零部件 RPS基准设定时，遵循由上到下的原则，即首先确定大总成的定位基准，再确定各级分总成的定位基准，后完成单个零部件的基准设定，保证整个零部件系统的RPS基准顺利完成。最终，单个零部件的主定位基准都必须源于其上级总成的定位基准，即各级总成所用的定位基准都在其下级分总成或零部件的定位基准中选取，以保证零部件定位基准的前后一致性。RPS 图所设定的车身零部件定位基准需要满足零部件本身不同工序的工艺要求，各个工艺步骤所用到的定位基准需要保持前后一致，例如在焊接过程中钣金件的夹具定位基准需要与其相关钣金件在检具上的定位基准保持一致。车身零部件RPS图采用二维图格式，在图中标记相关要素。4.车身零部件RPS图（1）有检具的零部件/零部件总成 在正常的设计过程中，对于RPS图所需要表达的内容如下：1）此零部件/零部件总成的功能要求和说明。2）零部件/零部件总成在实际生产过程中的定位基准。3）该零部件/零部件总成的检测要素及其公差要求。（2）没有检具的零部件/零部件总成，在正常的设计过程中，其RPS图主要表达零部件/零部件总成的关微信号 auto1950 /2023年 第 9 期45 Auto Manufacture|汽车制造键尺寸、手工检测基准等相关要素即可。针对同类零部件，根据其检具的有无情况，决定该零部件不同的公差要求。实际公差设定时，需要根据零部件的具体情况和相应的公差表进行合适的选用，其公差设定主要依据零部件的功能及其尺寸要求。5.单件RPS图的基本标注内容 零部件的功能点RPS说明如图1所示。车身零部件的功能特征及其相应的要求，都在零部件RPS图中进行表达，主要包含孔类、棱边类、型面类等特征。这些特征的要求一般都是针对不同零部件所对应的模具所提出的具体要求，最终转化成零部件的具体工艺安排和具体的模具结构。图1 RPS点的标注RPS系统设计流程在组织机构方面，RPS系统是由同步工程小组确定的。同步工程小组由开发部门、质量保证部门、生产部门、规划部门及协作厂家共同组成，这样可以保证在产品的设计开发中兼顾各个方面，使大家具有统一性。在生产中一旦出现问题，查找目标清晰，解决问题快捷，可有效地控制质量，降低成本。早在产品开发阶段，各部门的专业人员就在同步工程小组内在达成共识的前提下确定零件的RPS系统。这是因为在后续制造中如果再进行产品更改，就会造成更高费用的发生。统一的RPS系统使用规则可以使查找错误、分析错误变得即快捷又清晰。另外，依据RPS系统方法制定出目标清晰的措施能够有效地控制住高费用的更改过程。1.基本流程 车身零部件RPS系统设定过程可以分为以下六个步骤：功能研究、公差研究、RPS系统确定、尺寸图确定、公差计算及产品图样。2.流程解读（1）功能研究 功能研究主要分析零部件的功能及其配合要求，完成零部件的孔位功能图、具体特征的技术要求说明，其中包含零部件的孔位功能、型台特征功能、棱边功能。其中零部件的配合要求主要是指零部件与其他系统零部件配合的型台相关形位公差要求。（2）公差研究 公差研究工作主要包括：分析零部件的实际制造精度，分析零部件配合零部件的制造精度及其安装精度要求，车身各总成的控制要点分析及关键零部件确定。（3）零部件RPS系统确定 零部件RPS系统确定工作，主要分析车身各总成的控制点及其传递关系。其中需要确定车身零部件的基准传递系统，通过对车身零部件的结构和工艺分析，确定各零部件的具体基准。（4）尺寸图确定 此步骤主要完成车身总成钣金的RPS图规划和总成内零部件单件基本RPS图样布局，以及各相关零部件是否需要制作检具；确定各大总成基本功能要求、基准点系统，并完成车身总成基本功能技术要求图；完成各大总成关键点形位公差要求设定。（5）公差计算 此步骤主要完成车身零部件公差设定工作，其中包括：零部件的尺寸公差设定、零部件的形位公差设定及通过软件完成零部件公差计算。（6）产品RPS图样 此步骤主要完成车身零部件RPS图的设计和发布，主要工作包括如下内容：1）完成零部件RPS图，主要完成零部件/零部件总成功能点的标记，用于零部件/零部件总成的成型工艺分析及其相关工作。2）完成零部件RPS图，主要完成零部件/零部件总成定位基准的标记，用于标记零部件/零部件总成的联接及其检测时所用的定位基准。3）完成零部件RPS图，主要完成零部件/零部件总成检测点的标记，用于零部件/零部件总成的相关检验工作。2023年 第 9 期 /微信号 auto195046汽车制造|Auto Manufacture4）完成零部件/零部件总成RPS图 EXCEL文件，准备发布。5）完成图样文件发布工作，将图样发送至各相关事业部，进行工艺审核。RPS在钣金件、模具制造过程中的应用高精度的冲压件和良好的焊接控制设备是保证高品质车身的关键，RPS的贯彻、实施则是保证高品质车身的内在因素。在产品设计时，RPS应由同步工程小组确定。同步工程小组成员包括产品设计、模具设计、车身工艺、质量保证、生产及外协厂家等相关技术人员。在设计阶段达成定位共识，可大大减少产品设计失误，缩短开发周期。RPS作为重要文件输出，制造各环节重视和贯彻RPS图样要求，才能达到高水平的产品质量。模具的品质直接影响到冲压件的品质。进而影响到车身焊接及整车品质。所以，在模具阶段一定要足够重视对品质的把握，特别是RPS的应用。1）模具设计、加工必须以RPS点为基准。如不按RPS执行，将产生基准的转移，致使制造偏差加大，达不到设计公差要求。也给后序焊接、检验基准的选择造成混乱。2）定位孔必须安排在同一工序冲裁，否则很难达到设计的公差要求，一致性也会很差。3）在模具检查、验收时把定位点的位置作为一项重要的检查项目，检查是否与产品设计的RPS点一致。4）检查冲压件精度时也必须以RPS点为基准。RPS体系下产品的检验流程建立正确的坐标系是工件检测的基础，自动化蓝光三维扫描系统可以在RPS系统下，正确快速地建立检测坐标系，执行工件的检验过程。车身钣金件具有形状复杂、结构尺寸大、精度高及表面质量要求严格等特点，钣金件质量的好坏决定了新车型开发的成败。这无疑对钣金件的检测提出了全新的要求。而传统的检具、三坐标测量机，由于自身的缺陷不能对钣金件空间曲面形状作出全面评价，且检测效率低。CASAIM IM自动化蓝光三维扫描系统可快速、精确、方便地对钣金件和模具等进行检测。应用CASAIM IM自动化蓝光三维扫描系统检测钣金件流程简单、易于操作、可十分高效地对钣金件质量做出全面评价，具体步骤如下。（1）钣金件扫描 工件贴好定位点后，用CASAIM IM对工件进行扫描，内容包括工件的型面、孔位、边界等。如图2所示。图2 钣金件扫描（2）扫描数据预处理 将扫描数据和CAD模型导入二次开发Polyworks软件中，在CAD模型上创建孔、圆形槽、方孔等特征，并利用自动创建特征命令，在扫描数据上自动创建对应特征。（3）扫 描 数 据 自 动 与 C A D 数 模 R P S 对 齐 Polyworks软件提供了最佳拟合对齐、特征对齐、RPS对齐等多种对齐方式，其中RPS对齐法就是规定一些从开发到制造、检测直至批量装车各环节所有共同遵循的定位点。RPS对齐方法是基于约束的参考点系统对齐方式，能“锁住”模型中的关键点从而建立起扫描数据坐标系和CAD模型坐标的相互关系。该方法在质量控制过程中优先考虑关键的附加点，比较适合本身具有定位作用的孔、槽等特征的车身钣金零件。（4）零件误差评价 Polyworks软件的3D比较、特征比较、边界比较等命令即可得出相应的比较结果，如图3图5所示。图3显示了扫描模型与CAD模型之间3D空间的误差色谱图，操作者可快速查看扫描模型任何一点与对应的CAD模型之间距离及x、y、z三方向的误差；图4显示了扫描模型与CAD模型对应的特征，如圆孔、圆形槽等在直径、中心点坐标等方面的误差；图5显示了扫描模型与CAD模型边界之间的误差。综上所述，利用CASAIM IM自动化蓝光三维扫描系统结合Polyworks软件对钣金件进行检测的方法兼备了零件空间实际偏差的直观可视性和对偏差的量化能力，在实际品质管理工作中具有良好的应用效果，避微信号 auto1950 /2023年 第 9 期47 Auto Manufacture|汽车制造免了传统的检具和三坐标测量机只能对数量有限的断面进行检测的弊端，为RPS管理体系的贯彻及整车的顺利装配奠定了坚实的基础。结语本文从前期准备、数据采集、数据处理等主要步骤出发，提出了基于CASAIM自动化蓝光三维扫描系统的工业构件质量检测方法。并利用实际案例验证了该方法在工业构件质量检测中的精度和效率，为快速低成本的工业构件质量检测提供了思路。通过本次应用分析，可见三维扫描数字化检测技术与传统测量技术相比具有以下优势。1）非接触测量，不容易受环境影响。2）全尺寸检测，数据采样率高，扫描速度快。3）高分辨率、海量点云数据，精确分析任意位置偏差。4）数字化采集、兼容性好，后期处理及输出简单。5）检测项目齐全，检测数据可溯性强。本次自动化蓝光三维扫描系统用于汽车钣金件质量及尺寸检测，得到了想要的检测结果。纵观整个汽车制造行业，存在着大量的工件检测需求，而传统检 图3 扫描模型与CAD模型之间3D空间的误差色谱 图4 扫描模型与CAD模型对应的特征显示图5 扫描模型与CAD模型边界之间的误差显示测方式无法有效解决，但自动化蓝光三维扫描系统可以补充这一空缺，自动化蓝光三维扫描系统与这一行业的结合会更加深入，更多的应用场景等待着这一技术去开拓。参考文献1 Yan H，et al.Dynamic microscopic 3D shape measurement based on marker-embedded Fourier transform profilometryJ.Applied Optics，2018，57（4）：772-780.2 祝小超，贾龙，邸太龙.三维光学测量系统在汽车行业中的应用J.汽车文摘，2019（8）：6-9.3 马维康，王斌，岳永天，等.基于三维扫描技术的曲面精密检测试验J.机械研究与应用，2019，32（6）：5-7.4 李毅，徐超，廖开星，等.手持式三维激光扫描仪在工业构件质量检测中的应用J.测绘通报，2019（8）：102-105.5 闫玉蕾.基于三维扫描的复杂曲面测量系统的研制D.哈尔滨工业大学，2017.