激光在線測量在汽車車身尺寸監(jiān)控中的應(yīng)用

胡津銘

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激光在線測量在汽車車身尺寸監(jiān)控中的應(yīng)用

胡津銘

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預(yù)批量科，廣東 佛山 528237）

激光在線測量技術(shù)在汽車制造企業(yè)的車身生產(chǎn)流水線的應(yīng)用越發(fā)廣泛。文章從激光線測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成開始，描述測量系統(tǒng)搭建及精度調(diào)試的主要途徑，介紹數(shù)據(jù)管理方式及質(zhì)量評價指標(biāo)，并闡述相關(guān)質(zhì)量優(yōu)化專業(yè)技術(shù)人員隊伍的協(xié)作方法。文章旨在探討工程技術(shù)手段及管理方法協(xié)調(diào)運行工作的方式，以此保持及提高車身尺寸的穩(wěn)定性，助力企業(yè)打造高品質(zhì)的汽車產(chǎn)品。

激光在線測量；車身尺寸；產(chǎn)品公差

前言

汽車車身尺寸的監(jiān)控及優(yōu)化是目前整車制造環(huán)節(jié)的一項重要業(yè)務(wù)。在當(dāng)前汽車流水線批量生產(chǎn)狀態(tài)下，激光在線測量技術(shù)可以在規(guī)定的制造工時內(nèi)快捷且較高精度地獲取車身尺寸偏差數(shù)據(jù)。質(zhì)量優(yōu)化相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)輔助理解車身批量尺寸狀態(tài)，從而服務(wù)于車身批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性保證與偏差的及時調(diào)整優(yōu)化。

1 激光在線測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

測量系統(tǒng)的系統(tǒng)核心部件為激光傳感器。傳感器由光學(xué)鏡頭、激光器、反光鏡和攝像頭組成，測量原理為光學(xué)成像的空間三角原理。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學(xué)鏡頭發(fā)射為一激光平面，位于傳感器內(nèi)的攝像頭能夠感應(yīng)到此激光面的一部分。當(dāng)激光面與待測物體表面相交時，形成一條亮度明顯的激光線。激光線在攝像頭中形成線條的位置隨物體表面的三維空間位置變化而變化。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)定的矩陣運算，可以將二維成像的x、y坐標(biāo)與三維空間被測點的X、Y、Z坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換運算[1]。

傳感器在生產(chǎn)線上的布置方案可以分為固定式及動態(tài)式兩類。固定式是將一系列的傳感器緊固安裝在生產(chǎn)線的靜置的工裝框架上，整個測量過程與被測車的位置相對靜止，測量傳感器采集數(shù)據(jù)后即可根據(jù)設(shè)定的位置關(guān)系，直接計算出在整車坐標(biāo)系（原點在汽車前輪的中心連線）的偏差。而動態(tài)式可以更好滿足不同車型柔性共線生產(chǎn)的兼容要求，通常采用的方案是將測量傳感器緊裝在數(shù)控機器人上，激光傳感器采集完成信息后，通過機器人自身的臂長、轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)間接轉(zhuǎn)換到被測車身的坐標(biāo)系上，最終輸出直觀的測量報告。

圖1 激光傳感器的結(jié)構(gòu)

圖2 某生產(chǎn)線激光在線測量系統(tǒng)

2 車身在線測量的構(gòu)建過程

測量系統(tǒng)需要結(jié)合車身三維數(shù)模及實物調(diào)試才能使用。對于全新預(yù)批量的車型動態(tài)測量，技術(shù)人員可以進行以下五個主要步驟的工作。

2.1 預(yù)選車身測量點

結(jié)合被測車身總成的三維數(shù)模，提前選定一些比較重要的位置，例如涉及功能零件的裝配尺寸、對后續(xù)工序有關(guān)鍵影響的定位尺寸、客戶能目視感知到的重要外觀尺寸。規(guī)劃定義測量點的名稱、測量點的幾何類型、測量點的坐標(biāo)、法向量、公差帶大小。在測量點的預(yù)選及規(guī)劃過程中應(yīng)盡可能保證與質(zhì)量保證部門檢測科室的接觸式三坐標(biāo)測量報告盡可能保持一致性，這樣可以便于激光在線測量系統(tǒng)進行精度標(biāo)定及保養(yǎng)維護的時有測量偏差基準(zhǔn)可供參考。

2.2 分析測量可達性

在線測量系統(tǒng)的機器人關(guān)節(jié)臂攜帶著激光傳感器在起止運動過程中會掃略過一定的空間，客觀上存在與被測量車身干涉碰撞的風(fēng)險。而且激光傳感器有成像景深要求，需要與被測車身的距離保持在一定范圍內(nèi)。因此預(yù)選的每個測量點都需要進行系統(tǒng)硬件是否可到達的仿真驗證。這方面有相關(guān)的專業(yè)仿真軟件，可以輔助技術(shù)人員進行相關(guān)的虛擬仿真驗證工作。如果發(fā)現(xiàn)有無法通過參數(shù)調(diào)整消除的不可到達點，則需要進行剔除，考慮改用其它的方式進行尺寸監(jiān)控。

2.3 均衡生產(chǎn)節(jié)拍

汽車自動生產(chǎn)線對每個小時內(nèi)的產(chǎn)量節(jié)拍（JPH）有著嚴格的要求，在線測量系統(tǒng)的測量工作時間也需遵守。如果在測量點規(guī)劃進行工時模擬時，估算出所需的測量總時間大于生產(chǎn)節(jié)拍給出的時間限制，則需要對測量點進行分組編排處理?？梢詫⑺械臏y量點數(shù)近似平均分為N個組（通常N≤5），每組的測量總時間必須控制在生產(chǎn)節(jié)拍范圍內(nèi)。在連續(xù)進行的車序中，每臺車只進行其中一組的測量點采集，接下來的另一臺車進行另外一組的數(shù)據(jù)采集，在連續(xù)N臺車經(jīng)過測量工位后，即可完成全部設(shè)定測量點的采集及評價。

2.4 編制測量程序與設(shè)定公差

為了使待測點能被激光傳感器清晰識別并測量，調(diào)試人員需根據(jù)每個待測點的幾何特征（圓孔、曲面點、拐角點、螺柱等）進行定義，并結(jié)合激光傳感器的成形圖像進行測量算法的選擇設(shè)定與參數(shù)調(diào)試。在線測量的公差設(shè)置通常包括系統(tǒng)預(yù)警的公差及設(shè)備停臺的這兩個層面的公差。如果在線測量數(shù)值在產(chǎn)品要求公差帶75%至100%的區(qū)間，可以設(shè)定系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。如果測量點嚴重超差，可以設(shè)置生產(chǎn)線立即停臺進行質(zhì)量分析。以上的參數(shù)結(jié)合機器人的軌跡編程技術(shù)，按照不同區(qū)域統(tǒng)籌生成系統(tǒng)自動測量程序。

2.5 測量穩(wěn)定性及精度一致性調(diào)試

在線測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度需要滿足質(zhì)量監(jiān)控的技術(shù)要求。針對同一臺車身，將機器人機械臂及車身傳輸工裝靜態(tài)及動態(tài)重復(fù)測量過程運行設(shè)定的測試次數(shù)（例如連續(xù)20次），測量結(jié)果的平均偏差如果在足給定的精度范圍（例如0.05mm），可以認為系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足需要。由于接觸式的三坐標(biāo)測量機在很多汽車企業(yè)里是質(zhì)量認可的標(biāo)桿，激光在線測量系統(tǒng)可以利三坐標(biāo)測量機的精度作為參照基準(zhǔn)。我們可以將同一臺車身的激光在線測量數(shù)值與經(jīng)過接觸式三坐標(biāo)測量的測量數(shù)值進行差值分析。如果激光在線測量系統(tǒng)的測量數(shù)值比基準(zhǔn)值的偏差絕對值大于給定的控制偏差（例如0.2mm），則需要將其平均偏差值整體補償相應(yīng)的差值，整體平移到三坐標(biāo)測量機的基準(zhǔn)數(shù)值。當(dāng)穩(wěn)定性和精度一致性達到目標(biāo)時，系統(tǒng)才可以正式投入使用。

3 測量數(shù)值統(tǒng)計及分析

在線測量獲取的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一定的梳理及解讀后才能體現(xiàn)價值，實際工作中需要觀察一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢來把握批量車身尺寸偏差的規(guī)律。在車身質(zhì)量控制領(lǐng)域主要統(tǒng)計的數(shù)值有：

合格率：符合公差要求的測量點個數(shù)除以所有測量點的總數(shù)。

平均測量值：某個具體測量點所有被測車輛的平均值,可以用字母表示。

對于車身尺寸的穩(wěn)定性評價，常用以下過程能力指數(shù)來進行[2]：

使用評價過程的波動大?。?/p>

其中和分別為公差上限和下限，為參與評價的被測車數(shù)，i為具體某臺車指定點的測量數(shù)值，為所有參與評價點的測量平均值。

主要用于評價被測量點圍繞控制目標(biāo)中心值的波動情況：

實踐中與通常結(jié)合一起來參考評價。

對于相關(guān)技術(shù)人員，需要持續(xù)關(guān)注在線測量數(shù)據(jù)的運行情況，同時要利用相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況進行分析，這需要一定的實踐經(jīng)驗積累。例如發(fā)現(xiàn)測量值沿著某個測量值無規(guī)律波動，可以檢查上游零件及分總成的尺寸穩(wěn)定性及夾具定位元件的尺寸精度，如上游零件尺寸不穩(wěn)定或定位元件磨損，則制定相關(guān)零件的優(yōu)化措施或更換新的定位元件。

4 專業(yè)技術(shù)人員團隊協(xié)助

在實際車身生產(chǎn)制造過程中，需要由相關(guān)不同部門協(xié)同合作進行在線測量的數(shù)據(jù)應(yīng)用。通?？梢杂缮a(chǎn)車間現(xiàn)場技術(shù)人員、測量技術(shù)人員、過程質(zhì)量保證人員、車身匹配分析優(yōu)化人員組成跨職能項目團隊。項目團隊可以對在線測量系統(tǒng)的硬件保養(yǎng)維護頻次、測量精確度的校驗周期、測量點的規(guī)劃與生產(chǎn)節(jié)拍的平衡、車身測量超差尺寸的報警及優(yōu)化、重點質(zhì)量問題的升級處理機制等內(nèi)容制定出詳細的工作流程文件。在相關(guān)部門的績效管理里，還可以針在線測量的運行關(guān)鍵參數(shù)對設(shè)定相應(yīng)質(zhì)量目標(biāo)。對一些富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，可以進行質(zhì)量攻關(guān)項目的立項，在工作榮譽和薪酬獎金上對卓有成效的項目團隊進行激勵。

5 結(jié)論

汽車車身生產(chǎn)線的激光在線測量應(yīng)用是一個系統(tǒng)硬件構(gòu)建與制造技術(shù)管理相結(jié)合的過程，不僅需要技術(shù)人員熟悉其硬件的原理及系統(tǒng)構(gòu)建過程，還需掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具，最終通過團隊協(xié)作的方式，達到穩(wěn)定及優(yōu)化車身尺寸的效果，從而助力高品質(zhì)汽車產(chǎn)品的制造。

[1] 楊揚.轎車車身尺寸在線檢測數(shù)據(jù)自動報警方法研究與應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,2011,4-6.

[2] 呂杰.基于過程能力的裝配質(zhì)量研究——質(zhì)量配合能力的評價與應(yīng)用[D].山東大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院.2017,11-12.

The application of laser online measurement on vehicle body dimensional control

Hu Jinming

( FAW-Volkswagen Automotive Co., LTD, Foshan Branch, Series Analysis and VSC, Guangdong Foshan 528237 )

Laser online measuring technology is more and more popular in automobile company vehicle’s body automation production line. This thesis introduce the structure of the laser online measuring system, describe the main process of building and adjusting the accuracy of measuring system, introduce the measuring data management network and quality evaluation Index, and share the cooperation method of related professional and technical personnel team. The purpose of this thesis is to discuss the way of coordinating the operation of engineering and management methods, and helping enterp -rises to build high quality automobile products.

laser online measurement; vehicle body dimension; product tolerance

U463.82

A

1671-7988(2019)07-48-03

胡津銘，就職于一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預(yù)批量科， 從事汽車車身及整車尺寸匹配分析與優(yōu)化研究工作。

U463.82

A

1671-7988(2019)07-48-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.016