光笔三坐标测量系统可以快速有效地保证对控制精度的工装及零部件本身的精度进行测量，通过稳定有效地检测数据的输出，对汽车制造业的发展起到了积极的促进作用。本文对光笔三坐标测量系统的结构、原理、应用范围以及系统特点进行了详细介绍。

      对于现代化的汽车企业来说，能够有效地缩短新车型的开发周期，又快又好地制造出符合设计要求的产品，是企业最核心的竞争力。针对这种需求的出现，适用于生产现场的快速、精确和便捷的大尺寸测量手段应运而生。经过几代产品的变革，一系列光电式三坐标测量系统应运而生，光笔三坐标测量系统的也伴随着汽车行业中的广泛运用而显得尤为重要。

      光笔三坐标测量系统

      1.系统组成

      光笔三坐标测量系统主要由传感器系统（相机）、采点系统（碳纤维测量光笔及测针）以及电脑与测量软件组成。在光笔的笔身上，至少装有3个点光源（发光二极管或回光反射标志点）以及一个专用于接触式测量的球形测头。

      2.工作原理

      光笔测量仪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，光笔三坐标测量系统工作原理如所示。由于光笔底端的测针经过精确校准，与光笔的几何关系惟一确定，被测点的三维坐标就可以精确计算出来。

      3.系统特点

光笔三坐标测量系统能提供最精确的测量方案、完整及强大的检测方案以及快速易掌握的测量方案，是真正的便携式设备。其具体优势体现在如下几个方面：

      （1）测量精度高 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30m的大范围测量。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22mm，具备动态参考模式、快速校准功能、自动对齐功能及连续监控参数。

      （2）测量速度快 光笔三坐标测量系统硬件设备为手持，无臂式设备，可进行无线数据传输，使用光学反射靶自动对齐实现同一批产品的快速测量。

      （3）轻便易携带 便携性好，适合车间现场使用。整套设备（含电脑）装在一个长1m的拉杆箱内，质量不超过30 kg。进行测量作业时，将相机放置在工件附近连好电缆，打开电脑即可开始测量，不需要设备预热等准备工作。光笔质量约450g，非常轻便。

      （4）良好的扩展性 光笔三坐标测量系统可动态扩展测量范围而不会降低精度，无需采用蛙跳法测量，也无需额外手动对齐设置，使用者移动部件无需重新对齐数据，从而减少重新建立坐标参考系的次数，减小累计误差。

      光笔三坐标测量系统应用范围

      光笔三坐标测量系统应用广泛，可实现部件与CAD图样的对比分析、3D模型对比原件及生产工装的一致性评估、加工产品与原件的一致性评估、工装的检测和调整以及几何实体的逆向工程（包括球体、圆柱体和平面等）。

      该设备在汽车工业中的应用尤为广泛，一般应用在车身工装的检测、焊装夹具检具的检测、钣金件夹具的控制、内饰件及夹具的检测、汽车地盘的控制、汽车零部件的检测、车灯的控制和制动系统部件的控制上。

      实际操作流程主要分为检测汽车工装安装基板的平面度，建立需检测工件的坐标系，然后检测工装各控制型面和定位销，通过多次检测并进行数据对比确定工装夹具的重复性，最后将部件在工装夹具上装夹好后，对零部件进行测量，并与CAD模型进行实时比对，确认零件的符合性。

      光笔三坐标测量系统的优势

      传统的测量臂三坐标测量系统包括第一代固定式三坐标测量系统和第二代关节臂三坐标测量系统，两代测量系统受工作现场操作环境影响较大（包括温度、湿度等），导致测量精度降低，日常机械维护及磨损使得维护成本较高；同时空间移动受限制，便携性较差，操作性上也不符合人体工程学，断光续接难度大，测量死角较多。与之相比，第三代光笔三坐标测量系统具有明显优势，具体表现在以下几个方面：

      1.精度对比

      光笔三坐标测量系统单点重复精度可达0.025mm，空间精度可达0.085mm，测量速度为30点/s，可同时满足静态和动态测量模式，而固定式三坐标测量系统空间精度仅为（3+4L/1000）um，且只能满足静态测量模式，关节臂式三坐标测量系统精度与光笔三坐标测量系统可以保持一致，但也仅限于静态测量模式。

      2.测量范围对比

      固定式三坐标测量系统测量范围由测量轴行程决定，一般只能专机专用；关节臂三坐标测量系统测量范围受制于关节臂长度，一般为2.4m、3.0m或3.6m等规格，用于小型物件的测量，如果实现“蛙跳”扩展测量，会造成精度损失。光笔三坐标测量系统无空间限制，可快速实现“蛙跳”扩展测量，精度不受影响。

      3.使用维护对比

      固定式三坐标测量系统需提前半小时预热，需将被测物体放置于机台上固定，不能自动识别测针，需要机械维护且易磨损，设备需厂家定期校准。关节臂三坐标测量系统体积大，使用时需配重型三角架或磁力吸盘实现稳定，不能快速安装，不能自动识别测针，搬运及组装过程中易发生磕碰损坏，设备需厂家定期校准。而光笔三坐标测量系统无线无臂，安装时间短，无需预热，无任何机械的磨损和连接，可自动识别测针，设备可自行校准，比较起来维护成本较为低廉。

      结语

      伴随汽车工业的不断发展，整车的品质要求不断提高，对白车身及零部件的制造精度，提出了更高的要求，严把质量关的检测系统必不可少。光笔三坐标测量系统可以快速有效地保证对工装夹具及零部件本身的精度进行测量，稳定有效地输出检测数据，对汽车工业的发展起到了积极的推进作用。

     比亚迪汽车有限公司成立于2003年，在致力于为各年龄段消费者打造梦寐以求产品的同时，近几年呈现出惊人的发展速度。公司通过垂直整合和最新能源进展的创新电动汽车和技术，从比亚迪股份有限公司这一控股集团旗下的数个兄弟公司中脱颖而出。比亚迪汽车近年来产量逐年翻番，预计2011年产汽车70万辆，且均为中国最畅销的一些车型。消费者出于诸多理由，尤其是对产品价值和质量的信赖，树立了对比亚迪汽车品牌的坚定信心。

     比亚迪汽车测试工程师周先生解释说：“比亚迪之所以发展如此迅速，归功于其在优质产品生产方面的成功。但是若要实现始终如一的卓越质量标准，必须对能够进行精确且可靠的测量校验解决方案进行投资。我们在装配流程之前和装配过程中使用这些系统，确保所有产品零部件都完全符合设计规格。”

     车间内的测量挑战

     汽车生产流程是一个主动装配点，要将众多不同形状和尺寸的组件组装在一起得到成品。对于比亚迪汽车而言，一些主要零部件是由公司自主生产的，其他零部件则是外包生产。由于装配过程中每个步骤所需的计量技术存在巨大差异，因此出于质量控制和装配目的而进行的测量校验可谓一大挑战。仅在焊接线上，就必须对数米长的车身焊装夹具以及直径数毫米的定位销进行测量。

     周先生表示：“我们所需测量物件的尺寸和特性都截然不同。通常需要使用卡钳、针规和高度尺/几何尺等一系列传统测量工具才能满足车间内的各种检测需求。而在测量过程中由一种工具切换到另一种工具会浪费大量时间，且仍无法提供我们所需的精密度和准确度。”

事实上，真正精确的测量不太可能仅依赖传统工具。对于大型汽车零部件尤为如此，原因是大部分传统工具都无法对其进行精确或适当的测量。即使进行重复尝试，但仍会不可避免地出现以毫米计（而非微米）的不可接受的测量误差。

     提升精密度的备选方案

     为解决测量精密度的问题，比亚迪将固定式三坐标测量机(CMM)视为一个备选方案。固定式三坐标测量机系统能够实现较高的测量精密度和可重复性，但其便携性和灵活性有限。通常每一套都需要巨额投资，尤其是需要较大的专属测量室，其中必须具有受控环境来容纳和操作这些类型的坐标测量机。

     同时，由于不得不将零部件在生产线和用于检测的测量室之间来回搬动，这也使得生产流程的劳动密集程度进一步提高。相较于传统测量工具，尽管固定式三坐标测量机能够为比亚迪带来更大程度的测量精密度，但其高昂的安装、维护费用以及操作的不便利性使得这一可行性解决方案吸引力不高。

     比亚迪希望获得固定式三坐标测量机的精密度和准确度，但又不愿受其体积限制。周先生继续说道：“我们需要的是一个可以在任何地方进行配置的系统，它必须易于操作，更重要的是能够提供测量结果的精确性和一致性，使我们一如既往地保持产品的卓越品质。”

     理想的解决方案是一个便携式、关节臂式的三坐标测量机，即一个能够人工操作的测量臂，从而为用户带来精密度、准确度和便利性。位于测量臂末端的球形测量头能够在一个物体上的各个位置定向，以收集需要在电脑 CAD/CAM 软件中进行处理的单独 3D 数据点。便携式三坐标测量机可配置在汽车装配线上，而无需将零部件搬运至设备所在的地方。这样就能够同时节省大量的时间、劳力和成本。

     “在对诸如资本投资、产量、测量精密度和便利性等主要因素进行仔细分析后，我们决定使用便携式三坐标测量机和精选的FARO Technologies计量技术解决方案来满足我们的质量检测需求，”周先生表示，“事实证明这是比亚迪的一个正确选择，在FARO的帮助下，我们真正享受到任何其他类型的系统都无法比拟的测量便利性。”

更强的信心更高的产能

     目前，比亚迪汽车拥有大约20台FARO铂金测量臂。比亚迪位于深圳、西安、长沙和惠州的汽车生产基地都配备了FARO便携式三坐标测量臂，以协助进行优质测量校验。所有收集到的数据都将通过FARO的CAM2软件（又称Geomagic软件）进行处理。

     随着车间内配备FARO测量臂，比亚迪能够使用一种工具来测量各种尺寸和型号的所有汽车零部件。周先生补充说：“凭借该测量臂的灵活性，我们不仅能够测量和控制小型汽车组件的质量，也能掌控具有非凡精密度的大型零部件的质量。FARO设备的坚固耐用还可以承受我们严苛的车间条件；并且即使在非受控环境下也可实现精确性和可靠性。”

     对于比亚迪而言，FARO测量臂具备了该公司寻求的一切优点。周先生指出：“我们确实偏爱该六轴旋转所带来的灵活自如的特性。其无限旋转使我们能够进行全方位测量，即使在难以触及的位置或不便的角度。电源组软件还易于掌握，帮我们节省了大量宝贵的时间。此外，FARO强大的售后团队使我们无需担心任何可能发生的停机事件。

     随着FARO解决方案的应用，比亚迪汽车拥有了完整的检测和测试流程。工程师能够在设计阶段之初就确保固定部件的结构稳定性，质控人员能够进行有效和客观的评估、校准，以保持产品的卓越品质。“只需较短的设备安装时间和简便易用的控制，就能迅速对各项质量进行检测并收集数据，然后生成报告”，周先生表示，“这确实为我们简化整个生产流程提供了帮助。”

     FARO的帮助使比亚迪实现了出色的产量和质量，而这是其他任何测量解决方案都无法企及的。测量效率大大提高，但工时却有所降低。周先生解释说：“使用固定式三坐标测量机进行质量校验需要一整天的时间，而我们现在只需3～4h就能完成。FARO的测量解决方案迅速成为比亚迪日常运营中不可或缺的一个组成部分。”

     FARO解决方案不仅带来更大的便利性和更高的产能，还使比亚迪汽车能够精确、一致并充满信心地测量其产品。这一非凡的结合将成为引领比亚迪获得未来辉煌的重要因素。

      与传统的手持工具和传统的固定式三坐标测量仪相比，便携式三坐标测量仪的优点。汽车制造商使用的传统工装种类繁多，包括机械师、质检员、工程师一直都在使用的各种手持测量仪。有塞尺、千分尺、游标卡尺、外径千分尺、间隙枪等，幻灯片上仅举几个常见的例子，这些都是用户所熟悉的多年来一直提供值得信赖的测量结果的工具。其他的传统工装为固定式三坐标测量仪，通常有三种类型，分别是桥式、龙门式和悬臂式（水平）。

      这些设备存在一些固有缺陷。它通常包括以下不足之处：精度低、可重复性和再现性差；人与环境因素增加了记录结果的变化性；无法到达难以触及的区域；而且这种测量往往极其耗时，比如，对一辆汽车的 650 个点进行测量并记录需要花费约 4 小时的时间。

      另一个例子，卡尺——当前使用的最广泛使用的手持式仪器之一。

      除非被测物能够完美地对齐卡尺的轴线，否则会引入设备角度偏差，这是难以避免的误差源。卡尺将显示基于距离 AB 的测量值。该部分的实际长度为 CD。AB 和 CD 之间的差值即为误差，由于卡尺的偏转，测量结果通常会大于待测零件的实际长度值。另外，使用卡尺时还需要注意其规格中的累积误差。要通过校准，分辨率为 0.001 英寸的带表卡尺，测量长度时精度必须处于 0.001 英寸范围内，且平行度误差不超过 0.001 英寸。但是对于较大零件的测量而言，会同时受到这两方面的误差影响。在此情况下，可能的误差将达到 ±0.002 英寸。

      另外，工具可能会受到千分尺中滚轴螺纹的误差的影响，即千分尺的螺纹引入的两个误差源——其一为螺纹旋转时产生的螺纹摇摆，其二为公螺纹和母螺纹的螺纹斜面间无法完美啮合而导致的误差。此类误差是设备的固有设计误差，意味着需要花费较大的代价对设备进行良好的保养、维护和校准才能确保它们能够在不同的情况下用于准确测量。即便如此，它们也不能够较好地测量某些特征，例如内径。环境因素也会影响到这些手持工具的精度。温度波动不仅会造成设备（和被测物）膨胀和收缩，而且持续的温度升高和下降还会造成千分尺主轴、砧座甚至是螺纹特性的永久性变化。这会在制造过程中由于金属的应力释放而发生。虽然传统的三坐标测量仪十分精确且可重复性高，但是仍然存在诸多缺点。

      首先，三坐标测量仪需要在恒温室才能获得正确的结果，被测物体必须放置三坐标测量仪的测量平台上。如上一张幻灯片所示，固定式三坐标测量仪的建造方式决定了其无法进行测量过于庞大的物体。结果导致制造商在测量某些产品时通常需要将固定式三坐标测量仪与手持工具或成本较高的测量夹具相结合，如此才能够测量大型的或形状特殊的物体。且由于三坐标测量仪需要占用一定的空间，必须为其分配较大的专用空间。它无法像制造车间一样精简，因为整个空间必须专门用于其测量目的。在此图中，您将看到三坐标测量仪不仅本身需要较大的空间，而且所建造的用于往返输送物体的跟踪系统也需要占用空间。这是极其麻烦的，尤其涉及到大型零件时。

      最后，传统的三坐标测量仪的拥有成本相对较高。不仅购买和安装成本高，而且维护成本也十分昂贵。虽然传统的三坐标测量仪十分精确且可重复性高，但是仍然存在诸多缺点。首先，三坐标测量仪需要在恒温室才能获得正确的结果，被测物体必须放置三坐标测量仪的测量平台上。如上一张幻灯片所示，固定式三坐标测量仪的建造方式决定了其无法进行测量过于庞大的物体。结果导致制造商在测量某些产品时通常需要将固定式三坐标测量仪与手持工具或成本较高的测量夹具相结合，如此才能够测量大型的或形状特殊的物体。且由于三坐标测量仪需要占用一定的空间，必须为其分配较大的专用空间。它无法像制造车间一样精简，因为整个空间必须专门用于其测量目的。我们可以看到看到三坐标测量仪不仅本身需要较大的空间，而且所建造的用于往返输送物体的跟踪系统也需要占用空间。这是极其麻烦的，尤其涉及到大型零件时。最后，传统的三坐标测量仪的拥有成本相对较高。不仅购买和安装成本高，而且维护成本也十分昂贵。因此，与传统的手持工具相比，汽车制造商或 OEM 使用便携式三坐标测量仪将获得诸多益处。

      虽然手持工具可为机械师和制造商等提供快速和可靠的测量结果。但是，随着零件和产品的日趋复杂化，这些手持工具的固有误差将变得越来越不可接受。与传统的固定式三坐标测量仪相比，汽车制造商或 OEM 使用便携式三坐标测量仪还具有其他许多优势。包括：无线操作和以电池供电的方式，使其可在需要时在生产工厂中方便地移动；与固定式三坐标测量仪相比，便携式三坐标测量仪不受测量环境的限制执行测量前，无需适应环境温度便可开始测量，维护量少；总而言之，便携式三坐标测量仪可提供更高的精度，可轻松地报告并跟踪结果，它能够满足当前汽车市场的需求。