機器人激光在線檢測技術在汽車焊裝線上的應用

■ 陳媛媛，徐浩，魏慶豐

1. 概述

在汽車車身制造過程中，白車身精度是關鍵質(zhì)量因素。目前，采用在線檢測技術是保證車身精度最有效手段之一。在線檢測技術是對焊裝線車身總成或分總成實行100%在線測量，實時、動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)線，及時發(fā)現(xiàn)誤差，并根據(jù)當前測量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)規(guī)律對產(chǎn)生誤差的原因做出客觀判斷，調(diào)整相關夾具或檢具，使白車身精度滿足產(chǎn)品技術要求。

而激光在線檢測技術作為在線檢測技術中的一種，是采用激光、視覺（CCD）傳感、圖像處理以及計算機控制等技術實現(xiàn)物體空間尺寸及位置精密測量的新技術，具有非接觸、速度快、環(huán)境適應性好的特點，可以很好地滿足現(xiàn)代工業(yè)在線測量的要求，已經(jīng)成為先進制造領域內(nèi)最先進的在線測量技術之一。

我公司在某轎車焊裝線上也采用了此種在線檢測方式，有效的實現(xiàn)對下線白車身一致性的性能監(jiān)控。下面將結(jié)合現(xiàn)場實際應用，對機器人激光在線測量系統(tǒng)的組成及工作原理進行詳細介紹。

2. 激光在線測量系統(tǒng)的構(gòu)成

在白車身總成下線工位的車身兩側(cè)布置2臺檢測機器人，機器人型號采用K U K A KR150L110—2。為了對車身內(nèi)部的一些重要特征點實現(xiàn)測量，并兼顧車身前后關鍵功能點，經(jīng)過電腦模擬，得出機器人最合理安裝位置如圖1所示。圖1中坐標系是相對于車身坐標系而定的，機器人底座高度相對車身坐標系在Z方向上是-400mm，為了保證機器人在測試過程中不與地面發(fā)生碰撞，機器人底座高度必須＞400mm，兩者以距地面高者為準。

根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場布局，最終定出在線檢測工作站布局實物如圖2所示。

3. 檢測原理及功能

（1）系統(tǒng)工作原理 白車身通過滑撬運動到檢測工作站停下并精確定位，線控制器給檢測站控制器發(fā)“到位”信號→站控制器給機器人發(fā)出“車型”及“啟動”信號→機器人接到信號后開始工作，機器人向測量控制器發(fā)出每個測量點的“測量請求”和“測點ID”信號，等待測量控制器發(fā)回“測量開始”信號→測量系統(tǒng)接到信號后開始測量并記錄數(shù)據(jù)，然后傳遞到測量分析軟件進行處理，測量結(jié)束后向機器人發(fā)出“測量完成”信號→機器人收到“測量完成”信號后開始向下一測量點運動。按照此流程完成所有待測點的測量，如圖3所示。

通過測量控制軟件可以實時顯示當前白車身的測量結(jié)果，被測點的三維坐標及其與理論值的偏差都在表中顯示出來，不同范圍偏差以不同顏色顯示，綠色表示正常，黃色表示告警，紅色表示超差。雙擊某點的數(shù)據(jù)表格進入測量點數(shù)據(jù)查詢與分析窗口，可以實現(xiàn)當前白車身測量結(jié)果的打印，也可以對測量結(jié)果進行實時打印。在實時顯示中，既可以根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及系統(tǒng)測量的速度設定測量數(shù)據(jù)的刷新時間，也可以選擇手動刷新。

通過激光在線檢測系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)查詢與分析，功能尺寸分析，還可通過激光在線檢測系統(tǒng)對日產(chǎn)量統(tǒng)計表和日合格率進行月統(tǒng)計和年統(tǒng)計，并對顯示的數(shù)據(jù)和圖表進行打印輸出。

（2）檢測系統(tǒng)處理方式 激光在線檢測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)能以圖表、曲線直觀顯示，如果超差系統(tǒng)輸出報警信號，測量結(jié)果可以通過局域網(wǎng)接入車間信息系統(tǒng)，技術、質(zhì)保等相關部門人員可在各自辦公室終端上隨時調(diào)閱、分析測量數(shù)據(jù)。測量點數(shù)據(jù)查詢與分析是針對每一個被測點進行的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析。打開窗口，點擊被測點，在窗口下可出現(xiàn)該點加工誤差在X、Y、Z三個方向上的變化曲線或誤差統(tǒng)計圖，可以設定測量點X、Y、Z三個方向的坐標理論值及告警和超差設置。

圖1 機器人安裝位置模擬結(jié)果

圖2 在線檢測系統(tǒng)工作站示意

圖3 系統(tǒng)工作原理

檢測系統(tǒng)的處理方式分為手動和自動兩種方式。自動處理是根據(jù)測量結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，由系統(tǒng)自動報警停線；而手動處理是根據(jù)測量結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，在系統(tǒng)給出報警后，由監(jiān)控人員進行二次分析和判斷，通過人工手動操作，控制是否需要停線。在車間質(zhì)管部設置有操控按鈕，可以在沒有發(fā)生任何問題時，屏蔽測量系統(tǒng)但不停線。

當檢測設備出現(xiàn)故障或者測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時，檢測系統(tǒng)會給出相應的報警信號。當檢測設備出現(xiàn)故障時，安全系統(tǒng)信號給車間質(zhì)保部發(fā)出報警信號，同時給機器人控制系統(tǒng)發(fā)出信號，機器人控制器將會對Station Controller站控制系統(tǒng)發(fā)出請求，從而將該站檢測系統(tǒng)的工作屏蔽，此時生產(chǎn)線不需停線，可繼續(xù)生產(chǎn)。

當檢測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時，車間質(zhì)保部及Line Controller線控制器LC上均有報警設施，提示白車身尺寸存在誤差。當測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差時，車間質(zhì)保部會出現(xiàn)聲控報警音，提示監(jiān)控人員測量數(shù)據(jù)存在偏差，并在Line Controller線控制器LC的顯示屏上將偏差的數(shù)值顯示出來?，F(xiàn)場工藝人員根據(jù)當前測量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)規(guī)律對產(chǎn)生誤差的原因做出客觀判斷，調(diào)整相關參數(shù)，使白車身精度滿足產(chǎn)品技術要求，如圖4所示。

（3）檢測系統(tǒng)測量工作流程 按120s的生產(chǎn)節(jié)拍規(guī)劃，單車可測量約90點，針對關鍵點要求每臺均測量，而一般檢測點則輪換測量。按A+B、A+C、A+D的模式輪流測量監(jiān)控，每三臺車覆蓋所有測點（A為關鍵點，B、C、D為一般點監(jiān)測點）。

測量工作流程：PLC獲得車型信息→車身到位→掃描車身碼→夾具系統(tǒng)夾緊→車身確認，確定測量組別→測量→車身離銷→精度補償（測量后即開始）→數(shù)據(jù)上傳（與車身離銷同步）→測量結(jié)果顯示。

數(shù)據(jù)的分析運用是本在線檢測技術的重點，可自動生成分析結(jié)果，測量界面如圖5、圖6所示。

圖4 運行中的測量系統(tǒng)

圖5 型面點的測量界面示意

圖6 孔位的測量界面示意

4. 測量設備

（1）激光視覺探頭 激光視覺探頭是獲取被測對象圖像信息的直接器件。采用半導體激光器作為光源的探頭，它可以非接觸、在線測量車身上翻邊止口、定位孔的空間三維坐標或功能尺寸。其主要技術參數(shù)如下：分辨率0.01mm，精度±0.05mm，測量時間0.5s，工作距離200mm。

激光探頭和傳感器支架的總質(zhì)量約為12kg，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

（2）KUKA KR150L110—2測量機器人 KUKA KR150L110—2測量機器人是在線檢測的主要作業(yè)者，激光視覺探頭固定連接在機器人手臂的末端。通過機器人連接軸的轉(zhuǎn)動，帶動激光視覺探頭運動，從而完成對組成車身各個部件、分總成、總成的實時測量。

5. 影響測量精度的主要因素

該檢測系統(tǒng)的作用是監(jiān)控焊裝線批量生產(chǎn)的一致性，主要通過測量重復性定位精度來確認批量生產(chǎn)的一致性。

通過長期測量分析發(fā)現(xiàn)，影響測量精度的主要因素有以下幾點：

（1）傳感器采集圖片時的姿態(tài) 垂直于檢測特征面時精度最高，隨著檢測探頭的角度傾斜增大，測量精度會隨之降低。

（2）溫度的影響 環(huán)境溫度的影響可以忽略，但機器人本體運行過程中溫度的變化對測量的數(shù)值影響較大，溫度變化主要在檢測特征面的法線方向上產(chǎn)生偏差（垂直測量時）。在極限條件下，對精度最大影響約為0.2mm。在機器人非極限運行狀態(tài)下，溫度對測量精度的影響可以不加以考慮。

（3）測量特征的影響 測量特征越明顯，測量的精度越高，例如棱線上的測量點的測量精度要比止口翻邊上的測量精度高，平面孔的測量精度比螺母孔的測量精度高。

圖7 激光探頭及傳感器示意

（4）機器人本體的影響 機器人本身的重復性定位精度越高，測量的精度就越高。

6. 結(jié)語

我公司通過在焊裝下線工位增加在線檢測系統(tǒng)， 對每臺下線白車身的關鍵尺寸進行實時動態(tài)監(jiān)測，對組成車身的各個部件、分總成、總成進行實時測量。當檢測數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)出現(xiàn)小批量偏差時，控制站會給出報警，工作人員可及時發(fā)現(xiàn)問題。同時根據(jù)監(jiān)測的趨勢圖表分析，現(xiàn)場工程師可大概判定問題產(chǎn)生的原因，為解決問題指引了方向，有效縮短了解決問題的時間。

同時通過在線檢測系統(tǒng)，可將所有的測量結(jié)果通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，綜合分析車身各組成部件的制造誤差，從而可以迅速準確地定位誤差工位甚至夾具，為高質(zhì)量的車身制造提供最有效的測量手段，可以在較大程度上降低白車身的返修率及報廢率。

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