激光在線測(cè)量在白車身制造過(guò)程質(zhì)量控制中的應(yīng)用

袁紹波 程忠 馬曉朋

（神龍汽車有限公司，成都610108）

1 前言

汽車車身制造尺寸偏差原因復(fù)雜，白車身由上百個(gè)沖壓件組成，通過(guò)夾具定位焊接成型。尺寸偏差主要源于零件自身的制造偏差、焊接裝配工藝過(guò)程誤差、焊接變形、工裝夾具精度失效等。在尺寸質(zhì)量過(guò)程控制中，通常有兩種需求：一是工序穩(wěn)定性保證；二是高風(fēng)險(xiǎn)尺寸缺陷攔截。從而進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控分析，并持續(xù)改善[1]。

車身尺寸通常用分總成檢具、裝配性樣板、三坐標(biāo)測(cè)量等方式進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)人員依據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析出車身尺寸偏差點(diǎn)進(jìn)行糾偏來(lái)保證整車工序穩(wěn)定、裝配功能滿足。但傳統(tǒng)三坐標(biāo)機(jī)、人工樣板采用抽樣方式檢測(cè)，工作效率與數(shù)據(jù)處理能力無(wú)法對(duì)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和缺陷攔截，反應(yīng)滯后的檢查手段意味著質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的增加。

激光在線測(cè)量技術(shù)采樣效率高，數(shù)據(jù)處理能力快，可對(duì)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與攔截等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)精準(zhǔn)測(cè)量等方式相輔相成，受到越來(lái)越多汽車生產(chǎn)企業(yè)的青睞。簡(jiǎn)述激光在線測(cè)量在焊裝生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用情況。

2 前期設(shè)計(jì)

2.1 工藝布置

激光在線測(cè)量工位布置在車身線末端，分布有4臺(tái)測(cè)量機(jī)器人，由1臺(tái)工控機(jī)控制。系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車身信息，機(jī)器人變換測(cè)量程序就可適應(yīng)不同車型。當(dāng)輸送雪橇運(yùn)載白車身進(jìn)入測(cè)量工位時(shí)，升降滾床下降，輸送雪橇與車身脫離接觸，車身被該工位獨(dú)立的定位機(jī)構(gòu)定位，車身重復(fù)定位精度要求±0.1 mm。車身定位后，由4臺(tái)機(jī)器人完成測(cè)量，機(jī)器人的重復(fù)定位精度±0.1 mm。測(cè)量系統(tǒng)的不確定度U≤0.25。

工位布局時(shí)，考慮到機(jī)器人自動(dòng)弧焊對(duì)零件尺寸精度要求較高，成都工廠結(jié)合實(shí)際需求，將激光在線測(cè)量工位布置在自動(dòng)弧焊工位之前，如圖1所示。這種工藝布置，優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)弧焊區(qū)域尺寸進(jìn)行監(jiān)控，快速響應(yīng)尺寸變化，滿足自動(dòng)弧焊工藝的尺寸需求，從而監(jiān)控車身尺寸對(duì)機(jī)器人自動(dòng)弧焊工藝影響。

圖1 激光在線測(cè)量工位布置

該布局具有一定的局限性，缺點(diǎn)是弧焊區(qū)域的測(cè)量結(jié)果不是弧焊后的最終尺寸，弧焊對(duì)尺寸的影響無(wú)法進(jìn)行評(píng)估。如機(jī)罩鉸鏈面，設(shè)計(jì)2條弧焊，弧焊熱變形導(dǎo)致尺寸變化，弧焊后才形成最終尺寸。解決這個(gè)缺點(diǎn)的實(shí)踐是通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量弧焊前后的鉸鏈面相對(duì)尺寸，對(duì)弧焊前后尺寸變化進(jìn)行跟蹤，表1顯示了部分樣本數(shù)據(jù)跟蹤的結(jié)果，得出弧焊后變化量0.8 mm至1.2 mm，參考這個(gè)變化量，對(duì)在線測(cè)量鉸鏈面監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警修正。

表1 弧焊前后數(shù)據(jù) mm

2.2 測(cè)量點(diǎn)的選擇

在60輛/h的節(jié)拍下，4臺(tái)機(jī)器人每分鐘測(cè)量35～45個(gè)點(diǎn)，即每臺(tái)機(jī)器人可分配10個(gè)左右的測(cè)量點(diǎn)。在線測(cè)量監(jiān)控的關(guān)鍵尺寸點(diǎn)的數(shù)量和頻次，需要在這個(gè)測(cè)量能力范圍內(nèi)進(jìn)行取舍。如果當(dāng)需要監(jiān)控的尺寸數(shù)量較多無(wú)法滿足生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)，可以采用A、B兩組程序交替循環(huán)的方法進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)考慮到某些實(shí)際需要，有2種情況需要運(yùn)行全軌跡程序（A和B程序同時(shí)運(yùn)行）：一是需要進(jìn)行全尺寸分析，可以設(shè)置每種車型間隔N臺(tái)（例如50臺(tái)），測(cè)量一次全軌跡；二是離線到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的車身，需要進(jìn)行三坐標(biāo)與激光在線測(cè)量數(shù)據(jù)一致性比對(duì)，需測(cè)量全軌跡。

對(duì)于車身尺寸測(cè)量點(diǎn)的選擇，遵循以下原則[2]。

a.重要工序尺寸。從測(cè)量結(jié)果上反映工裝夾具精度偏差的敏感特性，例如車身合裝的側(cè)圍主定位孔。

b.重要的功能尺寸。反映車身制造過(guò)程中重要的裝配關(guān)系。例如車門鉸鏈安裝面。

c.工序穩(wěn)定性差的尺寸。波動(dòng)大容易出問(wèn)題的測(cè)量點(diǎn)，例如前翼子板安裝支架。

d.高風(fēng)險(xiǎn)尺寸。可以在所有分組中都選擇測(cè)量監(jiān)控該點(diǎn)，例如尾燈、尾門定位孔需要100%進(jìn)行測(cè)量。

激光在線測(cè)量主要測(cè)量的是單點(diǎn)數(shù)據(jù)，單點(diǎn)測(cè)量可能因存在的測(cè)量系統(tǒng)誤差而導(dǎo)致失真，通常分析尺寸關(guān)系時(shí)，需更關(guān)注幾個(gè)單點(diǎn)間的相對(duì)尺寸來(lái)減少系統(tǒng)誤差，就需要來(lái)定義與計(jì)算2個(gè)點(diǎn)的相對(duì)尺寸。定義相對(duì)尺寸時(shí)，同一組測(cè)量程序，使用的為同一臺(tái)車，關(guān)聯(lián)性更好。因此，在前期測(cè)量點(diǎn)分組分配時(shí)要充分考慮。

3 工藝調(diào)試

在線測(cè)量系統(tǒng)需進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試和測(cè)量值校準(zhǔn)工作。重復(fù)性測(cè)試是為了評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度，分析解決測(cè)量存在波動(dòng)的點(diǎn)或造成系統(tǒng)誤差的設(shè)計(jì)缺陷。測(cè)量值校準(zhǔn)是將同一臺(tái)車的在線測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果比對(duì)，以三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果作為參照標(biāo)準(zhǔn)，加1個(gè)修正值，使得同一臺(tái)車相同測(cè)量點(diǎn)在線測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果一致。

3.1 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性測(cè)試分靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

靜態(tài)測(cè)試對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性精度驗(yàn)證，僅測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，測(cè)量循環(huán)15次，特征方向波動(dòng)范圍不超過(guò)0.25 mm。

動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)整個(gè)在線檢測(cè)工位車身定位工裝精度進(jìn)行驗(yàn)證，同一臺(tái)白車身在雪橇上，運(yùn)行完整測(cè)量循環(huán)15次（包括升降、夾緊、測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)）；特征方向波動(dòng)范圍不超過(guò)0.40 mm。

在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)重復(fù)性測(cè)試存在局限性。實(shí)際運(yùn)行中，采用的是不同雪橇，不同雪橇到位停止點(diǎn)存在位置差異，導(dǎo)致雪橇上車身下落前的位置差異。因車身定位工裝定位銷的剛性不足，難以保證車身下落后的定位精度，測(cè)得的重復(fù)性定位精度最大達(dá)到了±0.4 mm，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量結(jié)果中包含了不確定且不可忽略的定位誤差。因每次測(cè)量的定位誤差是變化的，給分析工作帶來(lái)不便。為此對(duì)車身定位工裝進(jìn)行了改造，通過(guò)加固定位銷支柱，來(lái)解決穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí)，在定位銷支柱上加裝了輔助小球（圖2），測(cè)量程序中增加輔助小球位置測(cè)量，通過(guò)測(cè)量小球位置，間接反映測(cè)量支架上的車身定位銷的位置，來(lái)了解定位工裝的穩(wěn)定性。

圖2 定位支柱上增加小球

3.2 測(cè)量值校準(zhǔn)

測(cè)量值校準(zhǔn)至少選擇4組以上白車身激光在線測(cè)量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)數(shù)據(jù)作對(duì)比。通過(guò)具體分析每一個(gè)差異點(diǎn)，進(jìn)行修正。參與的樣本量越多，校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度越高。目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求90%的測(cè)量點(diǎn)與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的差異幅度小于0.6 mm，其余10%的差異幅度小于0.8 mm。受各種因素影響，在線測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果差異性會(huì)一直存在，調(diào)試完成后，測(cè)量值校準(zhǔn)將成為日常工作的一部分，持續(xù)地周期性進(jìn)行驗(yàn)證。

在線測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)位置、名稱盡量與三坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)保持一致，以便數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。正常測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)前期輸入需要考慮到在線測(cè)量校準(zhǔn)的需求。這樣，三坐標(biāo)測(cè)量程序由正常測(cè)量+在線測(cè)量校準(zhǔn)程序減少為正常測(cè)量即可。

4 激光在線測(cè)量的實(shí)際運(yùn)用

圖3是制造過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的尺寸問(wèn)題。其中，圖3a所示的異常點(diǎn)如果風(fēng)險(xiǎn)高就需要被攔截，圖3b顯示制造過(guò)程不穩(wěn)定，圖3c顯示偏移?，F(xiàn)場(chǎng)的這些尺寸變化，在線測(cè)量可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 常見(jiàn)尺寸問(wèn)題

激光在線測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)100%數(shù)據(jù)檢測(cè)和實(shí)時(shí)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用3大功能：實(shí)時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)警攔截。面對(duì)大量的激光在線測(cè)量數(shù)據(jù)信息，技術(shù)人員分析處理工作需要持之以恒，如果數(shù)據(jù)無(wú)法有效利用，則在線測(cè)量無(wú)法物盡其用。建立高效的運(yùn)行模式，各企業(yè)的做法不盡相同。成都工廠的做法是預(yù)防控制+停線攔截。

4.1 實(shí)時(shí)查詢

利用在線測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)查詢，可以監(jiān)控產(chǎn)品制造過(guò)程，了解工序的穩(wěn)定性。生產(chǎn)線邊工控機(jī)和辦公室終端數(shù)據(jù)同步，可隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)[3]。

a.預(yù)防性的尺寸查詢；

b.工序尺寸調(diào)整后，實(shí)時(shí)查驗(yàn)變化；

c.追溯，根據(jù)車身號(hào)，追查該車的在線測(cè)量結(jié)果。

圖4實(shí)例中，激光在線測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示了白車身頂蓋定位孔調(diào)整前后的變化，調(diào)整前均值-2.1 mm，向后調(diào)整1 mm后，均值-1.1 mm，調(diào)整效果及時(shí)得到驗(yàn)證。

圖4 頂蓋定位孔變化

4.2 統(tǒng)計(jì)分析

軟件對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以計(jì)算工序能力指數(shù)（Cp），其反映了制造過(guò)程保證公差的能力。Cp值越大，過(guò)程能力越強(qiáng)，數(shù)據(jù)波動(dòng)越小；Cp越小，過(guò)程能力越差，數(shù)據(jù)越離散。Cp值分析改善是預(yù)防控制的重點(diǎn)，對(duì)所有測(cè)量點(diǎn)某段時(shí)間的Cp排序，可以發(fā)現(xiàn)過(guò)程控制的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)來(lái)優(yōu)先解決[4]。

中值為某段時(shí)間測(cè)量結(jié)果的平均值。中值反映了與期望值的偏差。軟件將某一時(shí)間段的中值偏離排序，遵循先解決離散的原則，穩(wěn)定偏離的中值才可實(shí)施調(diào)整，排序中CP≥1的點(diǎn)優(yōu)先解決，中值偏離的分析過(guò)程中還需要結(jié)合與3D數(shù)據(jù)的一致性比較，只有當(dāng)中值結(jié)果與3D一致時(shí)，才可以實(shí)施糾偏。

相關(guān)性計(jì)算是統(tǒng)計(jì)分析功能中很實(shí)用的模塊。相關(guān)性是指一個(gè)變量隨著另一個(gè)變量變化的相關(guān)程度，用相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)，一般來(lái)說(shuō)，相關(guān)系數(shù)大于0.7為強(qiáng)相關(guān)，介于0.3到0.7之間為中等相關(guān)，小于0.3為弱相關(guān)。

在相關(guān)性模塊中，可選擇多個(gè)參加比較的測(cè)點(diǎn)，設(shè)定時(shí)間段或臺(tái)數(shù)，進(jìn)行相關(guān)性比較，所有被選擇點(diǎn)某個(gè)方向的變化曲線直觀地顯示在同一圖表中。選擇任意2個(gè)點(diǎn)，可計(jì)算相關(guān)系數(shù)，圖5例子可以看出，2個(gè)點(diǎn)在Y向相關(guān)0.729，2個(gè)點(diǎn)的變化基本一致。

圖5 相關(guān)性計(jì)算

相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)間變化一致或不一致，并進(jìn)一步分析是否存在系統(tǒng)性變化，還是個(gè)別點(diǎn)異常變化。

4.3 停線攔截

根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，當(dāng)被測(cè)量點(diǎn)超出界線時(shí)，系統(tǒng)將停線攔截。停線規(guī)則的設(shè)置格式為（點(diǎn)名稱）（方向）（公差）（連續(xù)或累計(jì)）（N次）。

需要設(shè)置括號(hào)內(nèi)的5個(gè)參數(shù)。所有報(bào)警停線點(diǎn)會(huì)被記錄名稱、發(fā)生日期、車型和車身VIN號(hào)等信息，可根據(jù)篩選條件隨時(shí)查看（圖6）。

圖6 報(bào)警攔截列表

在線測(cè)量調(diào)試期間，可以采取所有點(diǎn)設(shè)置相同的停線規(guī)則并給出停線處理預(yù)案，后期再在運(yùn)行中逐步優(yōu)化。初始規(guī)則為超出公差1次即停線。調(diào)試初期誤報(bào)警占有很大比重，無(wú)法做到“攔截的一定是有風(fēng)險(xiǎn)的，有風(fēng)險(xiǎn)的一定被攔截”。長(zhǎng)期頻繁誤報(bào)警影響正常生產(chǎn)，是停線攔截功能在很多企業(yè)難以開展下去的主要原因。停線攔截功能要發(fā)揮效用需要持續(xù)實(shí)踐和修正，需要解決的主要問(wèn)題如下。

a.測(cè)量原因造成的測(cè)量值不穩(wěn)定，特別是一些型面點(diǎn)，表現(xiàn)為偶發(fā)出現(xiàn)偏差異常失真的結(jié)果。

b.測(cè)量元素錯(cuò)誤，調(diào)試人員對(duì)需求的誤解，初期不容易被發(fā)現(xiàn)。

c.報(bào)警攔截與規(guī)則設(shè)定有關(guān)，啟用這項(xiàng)功能不受一致性比對(duì)影響，可同步進(jìn)行。

d.監(jiān)控限的限定，初期可設(shè)定較寬監(jiān)控限，后期根據(jù)下游情況逐步縮小。

前2項(xiàng)工作需要前期專業(yè)調(diào)試人員完成，需要早期發(fā)現(xiàn)，后2項(xiàng)工作可以由后期維護(hù)人員完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光在線測(cè)量在過(guò)程質(zhì)量控制中的作用改變了車身尺寸控制的傳統(tǒng)方法和觀念，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中提供了一種新思路，其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性與缺陷攔截功能更好地保證車身尺寸質(zhì)量，激光在線測(cè)量的運(yùn)用更符合智能化工廠的需求。