大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測量方法解析

劉非，高樹森，魏強，陳文

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

隨著電動汽車的普及，車用電池的需求量急劇增加。為了增加電池的續(xù)駛里程和減小電池尺寸，需要對電池進行集成化的零件組合安裝。為了降低工藝復雜度和工藝成本，多采用在板材焊接螺柱的形式，用于后續(xù)匹配零件的安裝和固定。為了避免出現(xiàn)后續(xù)工位零件安裝匹配的抱怨，需要使用光學拍照對焊接后螺柱的尺寸進行測量，確認尺寸合格及穩(wěn)定性。但是現(xiàn)在通用的測量技術手段為機械抓手通過定位銷和夾爪對板材進行固定，以世界坐標為基準，通過光學拍照測量的手段對螺柱尺寸進行測量，測量結果的準確性和可靠性不足，不能為后續(xù)工位提供尺寸指導。為此，需要設計一種適用于大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測量方法，以滿足產品質量要求。

圖1 螺柱對手件安裝示意

尺寸測量方案調查

某電動車的電池殼體為水冷板和框架組合而成的密封箱式結構，在框架內部即水冷板的內側焊接螺柱，用于后續(xù)裝配安裝固定相應的電器元件。同時相應的電器元件的安裝通過自動擰緊方式進行，為了保證后續(xù)裝配擰緊生產節(jié)奏的穩(wěn)定性和通順性，需要對焊接后的螺柱進行精確尺寸控制，保證進入后續(xù)工位的殼體尺寸的準確性和穩(wěn)定性。

調查結果見表1，離線光學拍照合格率為100%，表明對應螺柱焊設備自身的焊接尺寸精確度和穩(wěn)定性均能滿足相應的要求，但是在線光學拍照的合格率均低于80%，說明在線測量過程中存在很多問題導致測量結果的準確性及穩(wěn)定性不足。

表1 測量方案準確率調研結果

為此，需要進一步的分析影響在線測量尺寸合格率及穩(wěn)定性不足的因素。

在線測量不足因素分析

分析研究現(xiàn)有的測量方法：通過機器人抓手將水冷板抓取，機器人行走至照相測量設備位置，將螺柱平移至照相機前進行拍照，如圖2所示，形成識別特征孔，生成對應的尺寸數據。

圖2 在線測量示意

影響螺柱到達測量位置的因素如下：

1）機器人移動穩(wěn)定性（±0.06mm）。

2 ） 機器人抓手定位銷與定位孔徑差異（±0.2mm）。

3）機器人抓手夾緊力造成水冷板變形。

以上誤差累計將造成終端的螺柱尺寸誤差達到±0.5mm，超出螺柱本身的圖樣尺寸，在尺寸測量的精度和穩(wěn)定性上造成極大的誤差。

對策制定及驗證

經過上述分析得知，造成尺寸測量不穩(wěn)定的原因是尺寸鏈累計誤差，為了減少甚至完全消除尺寸鏈累計誤差，主要從工裝結構及測量方法上減少甚至消除誤差。

1.工裝優(yōu)化

通過對工裝結構進行優(yōu)化，增加定位銷直徑，進而降低由于定位銷在定位孔內的竄動造成的尺寸測量源頭的不穩(wěn)定因素。

2.測量坐標系轉換

除了以上的機械結構和不斷優(yōu)化測量參數，為了進一步消除尺寸鏈的累計誤差，需要調整測量坐標系的來源。通過將坐標系來源調整至水冷板的現(xiàn)有RPS孔，可將從機器人穩(wěn)定性及定位銷與孔徑差異造成誤差消除。

坐標系轉換前提條件如下：

1）新建坐標系的RPS孔距離待測量點位盡可能小。

2）新建坐標系的RPS孔的加工結果相對穩(wěn)定。

3）相機與機器人標定，相機的坐標系與機器人的坐標系一致。

動作執(zhí)行如下：

1）機器人帶工件移動到RPS孔1的拍照位置。相機拍RPS孔1，得到RPS孔1的圓心坐標。

2）機器人帶工件移動到RPS孔2的拍照位置。相機拍RPS孔2，加上機器人從RPS孔1的拍照位置到RPS孔2的拍照位置的X和Y的偏移量，得到RPS孔2的圓心坐標。

3）機器人帶工件移動到螺柱的拍照位置，相機拍螺柱，加上機器人從RPS孔1的拍照位置到螺柱的拍照位置的X和Y的偏移量，得到螺柱圓心的坐標。

4）根據RPS孔1坐標和RPS孔2坐標，得到一條直線，再根據螺柱圓心的坐標計算螺柱圓心到直線的垂線長度和RPS孔1到垂線與直線交點的長度。如圖3所示。

圖3 測量方法示意圖

5）根據以上計算，得到了螺柱與RPS孔1的2個長度，發(fā)送給PLC，由PLC判斷是否合格。

驗證過程發(fā)現(xiàn)：當定位銷直徑相對定位孔直徑≤－0.1mm時，對于螺柱的尺寸測量穩(wěn)定性無明顯提升；通過調整測量坐標系來源，可將從機器人穩(wěn)定性及定位銷與孔徑差異造成誤差消除，提高螺柱尺寸測量精度及穩(wěn)定性。

實施效果

使用大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測量方法，在線測量與離線測量一致性對比可達到98%，即在線測量設備可有效且準確測量螺柱實際尺寸，并有效攔截尺寸異常零件。