淺析FARO 激光跟蹤儀在ARO 焊槍上的應(yīng)用

毛中正，劉海潮，朱墨迪，武 揚(yáng)，黨 煒

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

北京奔馳（BBAC）裝焊車間工藝復(fù)雜，汽車白車身制造大量使用點(diǎn)焊工藝，而點(diǎn)焊工藝主要由焊鉗實(shí)現(xiàn)。焊鉗設(shè)備數(shù)量龐大，焊鉗上面的電極桿、大臂、電機(jī)等部件時常需要更換。特別是當(dāng)發(fā)生碰撞時，焊槍結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為焊點(diǎn)位置發(fā)生偏移，影響焊接精度和焊接質(zhì)量。通常情況下，生產(chǎn)現(xiàn)場會采用臨時措施，即會對機(jī)器人軌跡進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償焊槍的形變。但是由于機(jī)器人焊點(diǎn)通常偏多，同時又有多個車型需要調(diào)整。因此在焊槍發(fā)生變形后，需要耗費(fèi)大量的時間恢復(fù)，對生產(chǎn)線影響巨大。

如何保證焊槍精度，使其與出廠尺寸一致，成為急需解決的問題。因此，在焊槍替換到線下保養(yǎng)時，需要對焊槍進(jìn)行嚴(yán)格的精度校準(zhǔn)，以保證焊槍上線就能使用，減少調(diào)整時間。為了提高對于焊槍調(diào)整的精度，避免不同人修出不同槍的情況出現(xiàn)。在眾多大尺寸測量設(shè)備中，由于測量速度快、測量精度高和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，激光跟蹤測量儀得到廣泛的應(yīng)用。因此，通過將FARO 激光跟蹤儀應(yīng)用到焊槍修復(fù)中，準(zhǔn)確測量焊槍各部件精度，保證焊槍的重復(fù)精度。

1 FARO 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器[1]。激光跟蹤儀的基本工作原理是在目標(biāo)點(diǎn)上放置反射器，通過人為引導(dǎo)，將激光跟蹤頭發(fā)出的激光引到反射器上，同時反射器將激光重新反射到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭會自動調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)[2]。檢測系統(tǒng)通過接收反射回來的激光測算目標(biāo)的空間位置。簡單地說，激光跟蹤儀可靜態(tài)或動態(tài)地跟蹤一個在空中運(yùn)動的點(diǎn)，由此測算目標(biāo)在空間中的三維坐標(biāo)[3]。

FARO 激光跟蹤儀主要由激光跟蹤儀頭、主控單元（MCR）、光學(xué)靶球（SMR）、主控電纜、溫度傳感器、以太網(wǎng)線、便攜式三腳架、快速安裝卡盤、遙控器等硬件組成，激光跟蹤儀系統(tǒng)組成如圖1 所示。同時還需要配置好的專屬測量軟件，如果測量某些設(shè)備的三維坐標(biāo)，那還需要導(dǎo)入該設(shè)備的三維模型。FARO 激光跟蹤儀具有操作簡單、聚光穩(wěn)定性好，無干涉、使用壽命長、反應(yīng)時間短、測量效率高、可以多場合使用等特點(diǎn)[4-5]。

圖1 激光跟蹤儀系統(tǒng)組成

2 ARO 自動焊槍

2.1 ARO 焊槍系統(tǒng)組成

ARO 焊槍是一種在白車身自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，其具有設(shè)備簡單、穩(wěn)定性好，使用壽命長等特點(diǎn)[6]。ARO 焊鉗系統(tǒng)組成如圖2 所示，一套完整的機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)需要包括如下幾個部件：焊接電源柜、機(jī)器人電源柜、外部控制電源柜、機(jī)器人控制柜，焊控柜、機(jī)器人、焊槍以及部分配屬的部件。

圖2 ARO 焊鉗系統(tǒng)組成

2.2 ARO 焊槍基本結(jié)構(gòu)

ARO 自動焊鉗主要有兩大類，C 形鉗和X形鉗，可以滿足絕大部分白車身焊接需要。ARO 焊槍主要由電機(jī)、變壓器、大臂、電極桿、槍架以及法蘭連接板組成，ARO 焊鉗基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。眾所周知，影響焊槍焊接精度的是其TCP 點(diǎn)，即靜臂電機(jī)帽中心，如圖3 右側(cè)所示。同時，焊槍坐標(biāo)原點(diǎn)位于其安裝法蘭中心，如圖3 右側(cè)所示。

圖3 ARO 焊鉗基本結(jié)構(gòu)

3 ARO 焊槍三坐標(biāo)測量流程

在所有FARO 激光跟蹤儀部件齊備的情況下，需要按照標(biāo)準(zhǔn)流程將激光跟蹤儀測試系統(tǒng)搭建起來，即將激光跟蹤儀頭固定在三腳架上，通過主控線纜、網(wǎng)線等將各部件連接在一起。其次需要將待測量的ARO 焊槍固定在測量平臺上，其中需要特別注意將ARO 焊槍的法蘭安裝到易測量位置。然后是預(yù)熱及校準(zhǔn)激光跟蹤儀，利用軟件導(dǎo)入焊槍三維模型，建立焊槍坐標(biāo)系。最后確定測量點(diǎn)，通過測量儀測出實(shí)際值并與理論值進(jìn)行對比。

3.1 ARO 焊槍模型導(dǎo)入

搭建好測量平臺后，預(yù)熱FARO 測量儀，打開測量軟件（CAM2 Measure 10），在首頁欄選擇“導(dǎo)入CAD”，將所需測量的焊鉗數(shù)模導(dǎo)入。CAM2 Measure 10 可以導(dǎo)入x_t、IGS、VDA、STP 四種格式文件，需要提前轉(zhuǎn)換好格式，F(xiàn)ARO 激光跟蹤儀測量ARO 焊鉗平臺如圖4 所示。

圖4 FARO 激光跟蹤儀測量ARO 焊鉗平臺

3.2 建立坐標(biāo)系

為焊鉗建立坐標(biāo)，并將焊鉗的坐標(biāo)與全局坐標(biāo)對齊，這樣就可以達(dá)到實(shí)際焊鉗與數(shù)模一比一對照的目的。ARO 焊鉗實(shí)際的坐標(biāo)系位于其法蘭盤連接處，因此需要通過測量多個面，然后通過面相交的方式創(chuàng)建坐標(biāo)系。下面介紹詳細(xì)流程：首先，需要測量3 個圖形，分別是焊鉗支架上的圓柱體、焊鉗法蘭Base板的兩個相垂直的側(cè)面。ARO 焊鉗坐標(biāo)系建立如圖5 所示，分別為圓柱體和兩個平面實(shí)際測量結(jié)果。

圖5 ARO 焊鉗坐標(biāo)系建立

采集完一個圓柱、兩個平面后，需要通過“構(gòu)造”功能生成直線和圓。即通過圓柱體和平面相交生成圓，通過兩個平面相交生成兩條直線。接下來需要通過對齊功能用法蘭圓、直線X、Y 來建立坐標(biāo)系。如此，焊槍的坐標(biāo)系就創(chuàng)建完成，并且與實(shí)際一致。

3.3 選擇測量點(diǎn)

最后一步是選擇需要測量的點(diǎn)，焊槍TCP 點(diǎn)為靜臂電極桿上的電極帽斷面中央。因此，只需要在三維模型中選擇TCP 點(diǎn)，激光測量儀的紅外線就會精確的照射到理論位置。通過對比實(shí)物和紅外線光點(diǎn)的偏差，即可知道焊槍精度是否準(zhǔn)確。ARO 焊鉗TCP 測量點(diǎn)如圖6 所示，ARO 焊鉗實(shí)際TCP 點(diǎn)和三維圖TCP 測量點(diǎn)對比。

圖6 ARO 焊鉗TCP 測量點(diǎn)

4 ARO 實(shí)際測量

通過CAM2 Measure 10 測量軟件可以將測量報告導(dǎo)出，ARO 焊鉗實(shí)際測量數(shù)據(jù)如圖7 所示。報告中可以看出TCP 實(shí)際值和理論值。更重要的是，軟件可以自動算出實(shí)際值與理論值的偏差，并評判是否在公差范圍內(nèi)。

圖7 ARO 焊鉗實(shí)際測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

自動焊鉗是汽車白車身制造中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備，本文將FARO 激光跟蹤儀引入到焊鉗TCP 測量中來，實(shí)現(xiàn)焊鉗TCP的高精度測量，保證焊鉗的重復(fù)裝配精度，同時也為焊鉗線下返修提供新的解決方案。