激光跟蹤儀作為一種高精度便攜式的三坐標(biāo)測量設(shè)備，在世界汽車制造業(yè)使用并不是一個(gè)新鮮事物。在歐洲，標(biāo)致雪鐵龍汽車公司和雷諾汽車公司已經(jīng)大量采用了美國自動精密工程公司（Automated Precision, Inc縮寫API）生產(chǎn)的TrackerIIPlus激光跟蹤儀代替關(guān)節(jié)臂等其他現(xiàn)場測量設(shè)備，在中國，上海通用也已經(jīng)選用兩臺美國API公司的TrackerIIPlus激光跟蹤儀用于生產(chǎn)現(xiàn)場工裝檢測以及白車身和沖壓件測量。今天的跟蹤儀早已突破了早期跟蹤儀外型笨重，校準(zhǔn)頻繁，操作復(fù)雜，受環(huán)境影響大等局限性，成為了現(xiàn)代汽車制造業(yè)中用途廣泛的一種測量儀器。由美國API公司制造的TrackerIIPlus激光跟蹤儀跟蹤頭重量僅有8.3kg，連接上配套的輕便三腳架后總重量也不超過20kg，可以在生產(chǎn)線上方便地安裝。


API第三代激光跟蹤儀 TrackerIII

　　激光跟蹤儀的一個(gè)典型應(yīng)用是用于焊裝車間工裝夾具的裝調(diào)。車身焊裝是整個(gè)汽車制造中最重要的環(huán)節(jié)之一，焊裝質(zhì)量的優(yōu)劣不但關(guān)乎后續(xù)總裝能否正常進(jìn)行，對轎車來說更有可能影響到整個(gè)車身的強(qiáng)度和安全性。而焊裝質(zhì)量又直接取決于焊裝夾具的定位精度。在過去，汽車生產(chǎn)線上工裝夾具的最初安裝定位，一般是先制造一部樣車，樣車精度通過固定式三坐標(biāo)測量機(jī)來保證，然后將樣車放置在工位上，調(diào)整夾頭位置使各個(gè)工作面和樣車貼合好，實(shí)際上這部樣車起到了測量中傳遞樣棒的作用。通過樣車調(diào)節(jié)好各個(gè)夾頭位置后，再用關(guān)節(jié)臂這類精度級別相對較低的現(xiàn)場測量設(shè)備進(jìn)行復(fù)測檢驗(yàn)。


激光跟蹤儀輔助裝調(diào)焊裝夾具

　　關(guān)節(jié)臂由于測量范圍很小，不可能在一個(gè)測量站位中測量到車身原始定位基準(zhǔn)一孔一槽三個(gè)定位面，所以最初的坐標(biāo)系往往需要通過一到兩次移站來建立，這樣關(guān)節(jié)臂所建的基準(zhǔn)坐標(biāo)系中必然包含移站誤差，這直接限制了復(fù)測的精度級別，無法保證大范圍內(nèi)的相對位置精度。另外，眾所周知，關(guān)節(jié)臂由于其原理上的局限性，實(shí)際使用壽命是相當(dāng)短的，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，甚至是設(shè)備閑置后，關(guān)節(jié)部位軸承的磨損以及臂身的變形都會導(dǎo)致精度嚴(yán)重下降，而且這種精度下降是不可補(bǔ)償?shù)?。因?yàn)樯鲜鲈?，焊裝夾具的定位精度實(shí)質(zhì)上極大的依賴于樣車精度，但樣車作為樣棒使用最致命的缺點(diǎn)是容易變形，樣車本身只是一個(gè)精度級別較高的白車身，是一個(gè)殼體零件，雖然經(jīng)過固定式三坐標(biāo)測量機(jī)檢測合格，但是在裝運(yùn)到現(xiàn)場以及后續(xù)裝調(diào)過程中由于溫度變化、外力作用等因素發(fā)生變形都是不可預(yù)測的，這部分誤差將直接變成焊裝夾具的定位誤差。如果采用激光跟蹤儀，首先在較大測量范圍內(nèi)不需要移站，能保證較高精度的基準(zhǔn)坐標(biāo)系（5m內(nèi)精度為±0.025mm）。有了這個(gè)準(zhǔn)確的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型后可以直接用車身數(shù)模為比對基準(zhǔn)來調(diào)整夾具定位面。因?yàn)閵A具定位面的理論數(shù)模和車身上定位面的理論數(shù)模是重合的，所以無須為夾具測量專門創(chuàng)建數(shù)模。建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系以后，將靶球放在需要調(diào)節(jié)的夾具定位面（定位銷）上，軟件計(jì)算出靶球中心坐標(biāo)到定位面（定位銷）數(shù)模的投影距離，根據(jù)靶球半徑作補(bǔ)償計(jì)算得到3D偏差的方向和數(shù)值，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，觀察并調(diào)節(jié)這個(gè)偏差到公差范圍內(nèi)。采用這種測量工藝后，不再依賴樣車精度，減少了誤差傳遞的中間環(huán)節(jié)，同時(shí)節(jié)省了制造和測量樣車的成本。優(yōu)勢是顯而易見的。關(guān)節(jié)臂雖然從測量方法和軟件上也能執(zhí)行上述工藝，但是測量范圍和精度都無法達(dá)到工藝的要求。激光跟蹤儀本身以其自帶的激光干涉儀作為長度標(biāo)準(zhǔn)，光柵碼盤作為角度標(biāo)準(zhǔn)，通過自身的一系列校準(zhǔn)程序，可以在整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中始終保持高精度的工作狀態(tài)。通常，在固定工作場所使用和存放的API激光跟蹤儀，一般做自校準(zhǔn)的周期可長達(dá)數(shù)月。而激光跟蹤儀自校準(zhǔn)所花費(fèi)的時(shí)間則不超過十分鐘。


API 5D/6D激光干涉儀

　　API公司不僅是激光跟蹤儀在全球范圍內(nèi)的最初發(fā)明人，而且不斷推出許多新的擴(kuò)展技術(shù)。傳統(tǒng)的激光跟蹤測量技術(shù)在汽車行業(yè)遇到的最大挑戰(zhàn)是光線阻斷的問題，而現(xiàn)在這一難題有了兩套行之有效的解決方案，一是絕對測距技術(shù)（absolute distance measurement. 縮寫ADM），一是智能測頭技術(shù)（Itelliprobe）。

　　傳統(tǒng)的激光跟蹤儀因?yàn)椴捎眉す飧缮娴脑頊y量靶球到跟蹤頭的距離，要求激光頭和靶球之間的光線始終不能被阻斷，在測量汽車工裝夾具時(shí)這點(diǎn)往往是很難保證的。API的絕對測距（ADM）技術(shù)允許跟蹤過程中斷光，甚至可以直接把靶球放到目標(biāo)位置，然后再將跟蹤頭指向靶球進(jìn)行測量，這是一種基于紅外光脈沖反射拍頻計(jì)數(shù)的絕對測距技術(shù)，其10m內(nèi)精度可以高達(dá)0.02mm。這項(xiàng)技術(shù)在在線檢測汽車夾具重復(fù)定位精度方面效果非常好。通常我們把光學(xué)靶安裝在活動的夾頭上，每次夾頭到達(dá)工作位置后，軟件驅(qū)動跟蹤頭指向光學(xué)靶的理論位置，實(shí)際每次夾頭所處的位置都將偏離理論位置，跟蹤頭將在理論位置周圍以螺旋線軌跡運(yùn)動搜索光學(xué)靶，鎖定目標(biāo)后再用絕對測距技術(shù)測出光學(xué)靶到跟蹤頭的距離，從而計(jì)算出此時(shí)夾頭所處的實(shí)際位置。在軟件的配合下激光跟蹤儀可以在極短時(shí)間（通常只需幾秒鐘）就測量出多個(gè)夾頭的重復(fù)定位精度，且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于數(shù)碼相機(jī)的交匯照相測量技術(shù)。

　　另外，API的TrackerIIPlus還支持一種智能測頭技術(shù)，智能測頭是一種特殊的光學(xué)靶。底部裝有長度可達(dá)幾百毫米的測桿，光靶設(shè)置在測頭的頂端。智能測頭內(nèi)部集成的傳感器，可以感知智能測頭相對于激光光線的姿態(tài)角變化。通過頂端光學(xué)靶的坐標(biāo)值和姿態(tài)角計(jì)算出底部測桿尖端的坐標(biāo)值，這樣就可以用測桿尖端去測量激光照射不到的工件背面以及較深的孔和槽。智能測頭的外形如圖3所示。


智能測頭

　　激光跟蹤儀像所有的三坐標(biāo)測量設(shè)備一樣，提供了豐富的建坐標(biāo)方式，除了傳統(tǒng)的三點(diǎn)建坐標(biāo)、點(diǎn)線面建坐標(biāo)、多點(diǎn)擬合坐標(biāo)系等方式以外，還提供了一種獨(dú)特的復(fù)雜擬合建坐標(biāo)方式，這種建坐標(biāo)方式允許使用工件上的任意曲面、平面、定位孔、定位點(diǎn)組合起來作為建坐標(biāo)的基準(zhǔn)，擬合計(jì)算出工件坐標(biāo)系。


在工件數(shù)模上選擇擬合坐標(biāo)系基準(zhǔn)

　　如圖4所示，首先在導(dǎo)入的工件數(shù)學(xué)模型上選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面上的表面點(diǎn)（對應(yīng)工裝上的定位面）和基準(zhǔn)孔中心（對應(yīng)工裝上的定位銷），然后依次測量工件上的這些基準(zhǔn)元素位置，得到擬合計(jì)算的結(jié)果。如果定位基準(zhǔn)屬于過定位，通過分析結(jié)果數(shù)據(jù)，可以知道基準(zhǔn)之間存在哪些沖突，然后再決定是否應(yīng)該舍棄某些可能存在問題的基準(zhǔn)（通過放棄某些擬合計(jì)算約束條件來實(shí)現(xiàn)），這種復(fù)雜擬合建坐標(biāo)的功能使得激光跟蹤儀可以代替各種機(jī)械工裝檢具來檢測白車身和沖壓件。具體方法是，首先固定好零件，選擇工裝檢具檢測時(shí)的定位元素（包括定位面和定位銷）作為建坐標(biāo)的參考基準(zhǔn)，這樣擬合得到的工件坐標(biāo)系，就準(zhǔn)確再現(xiàn)了機(jī)械檢具檢測時(shí)使用的工件坐標(biāo)系，此時(shí)測量出的工件偏差和機(jī)械檢具檢測出的偏差數(shù)據(jù)一致，能準(zhǔn)確反映工件的實(shí)際狀態(tài)。這就是所謂的“電子工裝”技術(shù)。白車身、焊裝夾具、檢具的檢測需要遵循的原則就是，建坐標(biāo)的基準(zhǔn)和實(shí)際工件的安裝定位基準(zhǔn)或者工作基準(zhǔn)保持一致，這樣才能最大限度的減小測量坐標(biāo)系帶來的誤差。采用這種基于數(shù)學(xué)模型的“電子工裝”技術(shù)，在節(jié)省下制造機(jī)械工裝的高額成本的同時(shí)也省去了對這些機(jī)械工裝進(jìn)行檢測和維護(hù)的人力資源，可以大大提高生產(chǎn)效率。
　　

擬合計(jì)算的調(diào)整和計(jì)算結(jié)果

　　此外，激光跟蹤儀也可以用于汽車外形設(shè)計(jì)。由藝術(shù)家在木模上雕刻設(shè)計(jì)的新車型，需要精確的變成計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)模型，在以往，這需要一臺造價(jià)不菲的高精度大型導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測量機(jī)，而現(xiàn)在一臺TrackerIIPlus激光跟蹤儀，配合其功能強(qiáng)大的測量軟件就能完成這套復(fù)雜的逆向工程，激光跟蹤儀形式多樣的動態(tài)掃描工作方式，能夠精確反求出空間自由曲線、曲面的數(shù)學(xué)模型，從而大大降低沖壓模具的生產(chǎn)制造成本，同時(shí)，激光跟蹤儀也可以用于這些沖壓模具和工件的檢測。

　　激光跟蹤儀測量技術(shù)在我國的汽車生產(chǎn)在線檢測領(lǐng)域還是方興未艾，在汽車制造業(yè)中推廣應(yīng)用有著廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]《激光跟蹤測量系統(tǒng)的原理及在車身在線檢測中的應(yīng)用》，李廣云?！渡虾Ｓ?jì)量測試》，2002年04期。

　　[2]《激光跟蹤儀在大尺寸工件幾何參數(shù)測量中的應(yīng)用》，張春富、張軍、唐文彥、盧紅根?！豆ぞ呒夹g(shù)》，2002年05期。

　　[3]《采用激光跟蹤儀測量飛機(jī)外形》，韓清華、鄭保、郭宏利、王鴻翔。《航空計(jì)測技術(shù)》，2004年01期。

　　[4]《使用激光跟蹤儀確定數(shù)控機(jī)床空間位置關(guān)系》，劉曉東?！吨圃鞓I(yè)自動化》，2004年08期。