量身定制的现场测量解决方案

　　有效缩短新车生产线的启动周期，又快又好地生产出符合设计要求的汽车产品，是现代汽车制造企业的制胜法宝。这就需要一种适用于车间现场的快速、精确的大尺寸测量手段，以实现生产线的快速安装与调试，以及车身与部件的实时在线检测。正是基于这种需求，20世纪80年代，挪威迈卓诺测量系统有限公司（Metronor AS）利用摄影测量技术，开发了一系列光电式坐标测量系统——光笔测量仪，后来被广泛应用于汽车、航空航天、发电设备和工程机械等大、重型制造行业，开创了大尺寸坐标测量领域的新纪元。

光笔测量仪的技术特点

　　迈卓诺光笔测量仪主要由传感器系统（相机）、采点系统（碳纤维测量光笔及测针）、电脑与测量软件组成（见图1）。采用精确的摄影测量技术，相机通过测量镶嵌在光笔上的多个红外发光二极管（LED）的坐标，得到测量光笔在空间的位置和姿态（六维参数）。由于光笔底端的测针经过精确校准，与光笔的几何关系唯一确定，被测点的三维坐标就可以精确计算出来（见图2）。

图1 光笔测量仪的组成

图2 光笔测量仪的工作原理

　　源于汽车制造业的需求，迈卓诺光笔测量仪可以说是为现代汽车生产量身定制。众所周知，要生产出高品质的汽车，有2个要素缺一不可：合格的汽车部件和精确的焊接与装配。而要实现精确的焊接与装配，工装夹具、生产线必须符合设计要求，并且需要定期检验和校准。而汽车工装一般大而重，结构复杂，并且都是安装固定在车间，无法用传统的坐标测量机进行检测。要完成这一检测任务，需要一种适用于车间现场的大尺寸测量手段，鉴于工装复杂的外形特点，设备要能够测量较深的隐藏部位。迈卓诺光笔测量仪恰恰能很好地满足了这种生产需求。

　　首先，光笔测量仪具有良好的便携性，非常适合在车间现场使用。整套设备紧凑、轻便，包括电脑在内，被盛装在一个长1m的标准拉杆箱内（见图3），包括装运箱在内总重量不超过30kg，可以放在汽车后备箱，也可以带它乘机旅行；进行测量作业时，打开装运箱，将相机放置在现场需要检测的工件旁，连好电缆，打开电脑即可用光笔进行采点测量，不需要热机等生产准备工作；测量光笔重500g左右，拿在手上非常轻便，而且光笔与相机之间为无线连接；手持光笔，只要在相机的视野里，就可以在任何位置进行采点，大尺寸测量变得轻松随意。值得一提的是，由于设备主要由数字相机和碳纤维测量光笔组成，光笔测量仪可以在0～45℃正常工作，测量精度几乎没有影响。
 

图3 光笔测量仪便于携带

　　不仅如此，光笔测量仪集大尺寸与高精度于一身，其技术指标能够很好地满足汽车工装检测的要求。作为一套基于摄影测量技术的光学坐标测量系统，光笔测量仪可以实现长达30m的精确测量。采用专利的图象处理与相机校准技术，空间长度测量精度可达25μm。不管是2m、3m的普通夹具，还是6m、7m的整车焊装工装，迈卓诺光笔测量仪都能很好地满足其测量所要求的尺寸和精度要求。

　　此外，出色的隐藏点测量能力，成为光笔测量仪突出的技术优势。众所周知，汽车工装一般在基板上装有密密麻麻的立柱，立柱上就是控制面或定位销，很多几何尺寸处于比较深的隐藏位置。光笔测量仪直接使用测针采点测量，从这一点上，它是真正意义上的三坐标测量机。相对于其他大尺寸光学测量设备（比如激光跟踪仪），光笔测量仪具有出色的隐蔽点测量能力。用户通过配备带有加长部分的测量光笔，结合测针和加长杆，可以轻易测量600mm或更深的隐藏位置。

　　还值得一提的是，光笔测量仪具有独一无二的多点同步测量能力。除了使用光笔进行采点测量外，迈卓诺系统还有另外一种测量方式，即直接测量分散、独立的LED光靶。将多个LED光靶用磁力或胶粘等手段固定在目标上，相机一次可以同时采集多个点的空间坐标数据。利用这一功能，迈卓诺测量系统可以实现六维测量、重复性测量、变形实时监控以及动态坐标系下的测量等多种应用，可以完成比如工装重复性检测、震动环境下的测量和移动目标的测量等多种复杂任务。

用于汽车生产的实例

　　综上所述，我们可以发现，迈卓诺光笔测量仪的技术特点，很好地契合了汽车生产，特别是工装现场检测的需要。迈卓诺公司与一些知名汽车制造企业紧密合作，制定了一套适合现代汽车生产的标准操作流程（SOP），以保证客户能够既快又好地制造出符合设计要求的汽车产品。
操作流程主要由以下几部分组成：

1.检验工装安装基板的平面度。

　　这是最基本的一步，也非常关键和必要。如果基板不平，安装于其上的立柱一定会有偏斜，控制面和定位削的位置肯定就会出现偏差。由于光笔测量仪测量范围大、隐藏点测量能力强，就可以实现对大型工装的整个平面均布采点，包括后部和中间位置，实现平面度的全面分析评价，很少有其他测量设备能够做到。

2.建立工件坐标系。

　　这是所有后续测量作业的基础。通过测量工件上的参考几何量（点、线和面），转移机器坐标系为工件坐标系。光笔测量仪可以精确地实现坐标系的转换，比如可以通过均布采点来测量整个平面，并以此作为基准建立坐标系。而其他的测量手段，比如关节臂测量机或激光跟踪仪，或是由于测量范围的限制，或是由于无法测量隐藏点，都只能测量平面的局部，以此作为建系基准，是不准确、不科学的。

3.检测各控制面和定位销。

　　这是工装检测的基本要求。光笔测量仪就象一台大尺寸坐标测量机一样，可以快速、精确地在车间现场完成测量作业。

4.检测工装夹具的重复性。

　　现在，越来越多的汽车制造企业要求检测这一项指标。汽车生产是批量生产，工装的重复性不好，汽车的质量就会不稳定。利用光笔测量仪多点同步测量功能，重复性检测的难题迎刃而解。只要在工件上固定多个LED光靶，将工件在夹具上重复装夹多次，相机每次可以同步测量这多个点的坐标。通过系统随机软件，可以快速得到工装重复性的指标。而以往，用户不得不在工件上人为打多个点，采用破坏工件的方式实现重复性的检测。

5.将部件在工装上装夹好后，再对部件进行测量，并与CAD模型进行实时比对。

　　这是真正的生产状态，将零件和工装的偏差因素集合在一起。只有完成这一步，部件测量合格，才可以说生产出来的汽车是合格的。

　　综观整个操作流程可以发现，它不仅检验了工装，而且检测了工装的重复性，并对在装夹状态下的部件进行测量，整个流程全面、严谨且科学，涵盖了各个环节，为制造合格的汽车产品提供了质量保证。而光笔测量仪由于其良好的便携性、大尺寸测量、隐藏点测量和多点同步测量等技术特点，为完成这一流程提供了恰当的技术手段保证。
 

图4 工装夹具、整车焊装线的安装、调试及检测

 
图5 汽车零部件、白车身及模具的现场实时检测

　　基于与汽车制造企业一致的诉求和20年成功的行业应用经验，迈卓诺光笔测量仪被国内外各大汽车厂商广泛采用（见图4、图5），并得到了一致认同，广泛应用于汽车制造的各个环节：工装夹具测量、工装夹具重复性检验、生产线的安装调试与检测、车身部件及白车身测量、部件变形监测与分析以及模具检测等，在新车研发与试制、车间现场测量等方面都发挥着重要作用。

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