基于機(jī)器人的在線檢測技術(shù)在車身焊接制造中的應(yīng)用

冉啟洪 湯艷剛 齊瑞霞 張朝霞

【摘 要】隨著消費者對汽車質(zhì)量的要求越來越高，汽車制造廠商開始對汽車制造的質(zhì)量越來越重視。白車身的精度是汽車制造過程較關(guān)鍵的因素，文章介紹了基于機(jī)器人的車身焊接質(zhì)量在線檢測技術(shù)，闡述了系統(tǒng)的組成、檢測原理及流程，以及在線檢測的優(yōu)點等，并通過實際檢測對象驗證了在線監(jiān)測技術(shù)的可行性。在線檢測技術(shù)在車身焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，能夠提高白車身焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)100%在線檢測和實時監(jiān)測，為測點分布優(yōu)化和工藝改進(jìn)提供了依據(jù)，符合現(xiàn)代化制造的要求。

【關(guān)鍵詞】白車身；在線檢測技術(shù)；實時監(jiān)測；誤差分析

【中圖分類號】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）08-0037-04

白車身（Body-in-White，BIW）通常是指尚未裝配門蓋和發(fā)動機(jī)罩的未涂裝的車身基本骨架，有時也泛指尚未進(jìn)入涂裝和內(nèi)飾件總裝階段之前的車身。它是轎車的動力系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾等轎車子系統(tǒng)的載體，是轎車動力性、舒適性、平順性等轎車性能的載體，是轎車外在形象、外觀質(zhì)量的載體[1]。隨著國內(nèi)汽車市場競爭的日趨激烈，白車身的尺寸要求變得越來越高，在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和加快生產(chǎn)節(jié)拍的同時，如何控制好車身尺寸是國內(nèi)各汽車廠家面臨的挑戰(zhàn)[2-3]。目前，國內(nèi)許多的汽車廠家對于整車的外觀質(zhì)量的評價和控制采取了一些策略，一種方法是采用AUDIT打分、PDI客戶評價等主管方法進(jìn)行抽樣評價，這種方法直接模擬最終用戶的感知[4]，但不同的人群存在主觀差異，該方法不利于提高汽車的質(zhì)量；另一種方法是汽車廠家，如“一汽”“東風(fēng)”“奇瑞”等多采用檢驗樣架和三坐標(biāo)測量系統(tǒng)等對車身的尺寸進(jìn)行檢測[5]，由于其具有較高的精度、測量結(jié)果直觀、可讀性較高等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于車身焊接質(zhì)量進(jìn)行抽樣離線的測量和監(jiān)測中，但由于其測量時間較長，需抽樣離線檢測，反應(yīng)速度慢等缺點使得其測量效率低、耗時長，不能對焊接質(zhì)量做到實時監(jiān)控，逐漸不能滿足現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)節(jié)奏。

某國產(chǎn)汽車品牌的白車身采用了焊接自動化生產(chǎn)線，具有自動化率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，白車身的零部件、各分總成等均采用自動化夾具和機(jī)器人自動完成焊接，并在生產(chǎn)線的末端工位布置有機(jī)器人激光在線檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對白車身焊接質(zhì)量的100%實時在線檢測和很好地控制白車身焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 在線檢測系統(tǒng)的組成

該檢測系統(tǒng)為全自動檢測系統(tǒng)，完成對系統(tǒng)的調(diào)試和機(jī)器人的示教后，整個工作過程為自動完成對白車身關(guān)鍵特征點的信號采集。系統(tǒng)包括硬件和軟件2個部分，其中硬件部分由4臺Kawasaki系列工業(yè)機(jī)器人、4臺Perceptron系列線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器、測量控制柜、機(jī)器人控制柜、測量計算機(jī)、溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)球（1臺機(jī)器人對應(yīng)2個標(biāo)準(zhǔn)球，左右各1個，一高一低）和安全光柵等組成；軟件部分由測量控制軟件、溫度補(bǔ)償軟件和數(shù)據(jù)查詢與分析軟件等組成。4臺檢測機(jī)器人均勻地布置在生產(chǎn)線左右兩側(cè)。其具體布局與組成如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)性能參數(shù)

該在線檢測系統(tǒng)選用的視覺傳感器是基于單攝像機(jī)的Perceptron系列線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，傳感器安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，工作時由機(jī)器人帶動傳感器運動，實現(xiàn)對被測特征的測量，傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，測量機(jī)器人工作時靈活、高效，其工作狀態(tài)和傳感器具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)性能參數(shù)如下。

（1）系統(tǒng)工作性能：測量系統(tǒng)測量精度為0.21 mm，生產(chǎn)節(jié)拍為60 s/臺，單點測量時間為3 s（含機(jī)器人移動時間），整個測量周期為39 s。

（2）視覺傳感器參數(shù)：測量精度為±0.05 mm，工作距離為100 mm，單點測量時間為0.5 s（不含機(jī)器人移動時間）。

（3）工業(yè)機(jī)器人參數(shù)：測量精度為±0.1 mm，測點之間機(jī)器人移動時間為2.5 s。

（4）使用環(huán)境參數(shù)：環(huán)境的溫度為-5～45 ℃，相對濕度為59%～87%，單相交流電為220 V±10%，50 Hz±0.5 Hz。

1.2 測量原理

在線檢測系統(tǒng)測量的特征對象包括平面、邊緣、內(nèi)外棱、銷釘、孔、槽和多邊形等，以特征孔為例，傳感器的測量原理如圖3所示。系統(tǒng)工作時，傳感器會向測量對象投射出2種光源：LED發(fā)出的平面光和激光發(fā)射器發(fā)出的線結(jié)構(gòu)光。其中，LED光投射到測量對象的平面上，工業(yè)相機(jī)拍攝該對象的輪廓，然后經(jīng)過計算機(jī)處理獲得的圖像信息得到測量結(jié)果，在車身坐標(biāo)系下定義為X、Y向的坐標(biāo)；線激光投射至特征對象，是為了獲得測量對象在空間的位置，在車身坐標(biāo)系下定義為Z向的坐標(biāo)。

以被測點P為例，被測點P的測量結(jié)果為車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，而傳感器測量出點P的坐標(biāo)為傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，需要經(jīng)過多個坐標(biāo)變換將傳感器坐標(biāo)系下P點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其具體變換過程如下：傳感器坐標(biāo)系→機(jī)器人末端坐標(biāo)系→機(jī)器人基坐標(biāo)系→車身坐標(biāo)系，完成被測點P的測量。

1.3 測量工作流程

白車身在傳輸滑橇上由高速滾床傳輸至檢測工位，夾具自動完成定位和夾緊后，控制器將“開始檢測”信號發(fā)送給檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)控制器將“車型”和“檢測開始”信號發(fā)送給檢測機(jī)器人，機(jī)器人接收到該信號后開始工作，帶動視覺傳感器通過標(biāo)定的軌跡到達(dá)測點位置，到達(dá)測點位置后，視覺傳感器開始測量并記錄數(shù)據(jù)，并將該圖像信息傳遞給計算機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測量完成后測量控制器發(fā)送“測量完成”信號給檢測系統(tǒng)，機(jī)器人收到該信號后向下一個測點運動，至此便完成了一個測點的檢測。檢測系統(tǒng)通過以上單個測點的檢測流程的重復(fù)工作便完成了整個被測特征點100%的在線檢測，通過計算機(jī)判斷測量的結(jié)果，對生產(chǎn)線發(fā)出繼續(xù)生產(chǎn)、報警或停線的指令。現(xiàn)場的工作人員可通過觀察結(jié)果了解該階段車身的焊接質(zhì)量、分析問題的原因并及時做出調(diào)整。在線檢測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

2 在線檢測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)分析

在線檢測系統(tǒng)完成搭建后，經(jīng)過多次的調(diào)試和示教，目前該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，已能夠?qū)?種車型進(jìn)行柔性檢測，一旦測量數(shù)據(jù)超過允許的范圍，系統(tǒng)便立即報警。經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)，車身的焊接質(zhì)量明顯提升，生產(chǎn)線的停線率明顯降低。該檢測系統(tǒng)配套有專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，傳感器完成數(shù)據(jù)采集后由分析軟件完成對數(shù)據(jù)的處理和輸出，其操作界面如圖5所示，包括菜單欄、工具欄、工作狀態(tài)和車型信息欄及工作欄等。

下面以某一車型為例說明在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。該車型的生產(chǎn)節(jié)拍為60輛/h，車身的測點個數(shù)為200個，測點包括基準(zhǔn)孔和安裝孔89個，基準(zhǔn)面和外觀匹配面111個，采集其一段時間內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)。在操作界面中，從工作欄可以查看測點分布外，還能查看測量的偏差，其結(jié)果均以圖形和數(shù)字的形式直觀地顯示在工作欄中。

技術(shù)人員除了可實時、直觀地在工作欄查看到車型的測點分布和尺寸偏差外，測點的尺寸偏差和尺寸極限差還能以不同的數(shù)據(jù)和圖形形式顯示在軟件操作界面（如圖6所示）。從尺寸偏差的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，偏差的波動較大，說明此時生產(chǎn)線上的某一工位的生產(chǎn)出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，技術(shù)人員需及時分析其原因并解決該問題；從尺寸極限差的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，該段檢測時間內(nèi)，生產(chǎn)線的焊接質(zhì)量較穩(wěn)定，技術(shù)人員只需實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題便可立即處理。

2.2 在線檢測技術(shù)的優(yōu)點

（1）測量數(shù)據(jù)可視性。在線檢測系統(tǒng)具有實時性、測量效率高等優(yōu)點，測量結(jié)果以圖表、曲線顯示在計算機(jī)上。測點位置和區(qū)域在屏幕上以圖形的形式顯示，且顯示測點名稱及其公差值、偏差、CP/CPK值等，偏差分顏色顯示，其中綠色表示正常，黃色表示警告，紅色表示誤差超過允許范圍。通過該系統(tǒng)可以及時地發(fā)現(xiàn)問題，降低車身焊接的返修率和報廢率。

（2）測量數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)性。測量結(jié)果除了會保存在現(xiàn)場數(shù)據(jù)服務(wù)器之外，還會保存至中央數(shù)據(jù)服務(wù)器上，技術(shù)人員在各自辦公室可通過局域網(wǎng)隨時遠(yuǎn)程監(jiān)控、分析測量數(shù)據(jù)，以實時監(jiān)測白車身的焊接質(zhì)量。

（3）測量數(shù)據(jù)可分析性。歷史數(shù)據(jù)按月、年存儲在服務(wù)器中，技術(shù)人員可隨時查看歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，在線檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)白車身檢測數(shù)據(jù)的實時分析。測量歷史數(shù)據(jù)能夠反映一段時間內(nèi)車身焊接質(zhì)量的規(guī)律，技術(shù)人員可通過對該時間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)產(chǎn)生的規(guī)律進(jìn)行客觀分析，對夾具、生產(chǎn)工藝和模具等技術(shù)參數(shù)做出調(diào)整，提高車身焊接的精度。

3 結(jié)論

在線檢測技術(shù)具有實時性、測量效率高和測量結(jié)果直觀等優(yōu)點，配合檢驗樣架和三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的使用，能夠有效地減少或避免由于車身尺寸問題對生產(chǎn)線其他工位造成停線或影響后續(xù)裝配等問題。該國產(chǎn)汽車品牌采取在線檢測系統(tǒng)對車身焊接質(zhì)量進(jìn)行測量，車身焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性明顯提高，因焊接質(zhì)量造成的停線和后續(xù)工位裝配困難的問題也明顯減少。在今后的使用過程中，通過對測點的位置分布、檢測頻率和技術(shù)工藝的優(yōu)化，可以更好地利用該技術(shù)，以提高車身焊接的精度，進(jìn)而提高自我的品牌價值和市場價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]施成攀.汽車白車身拼焊尺寸偏差分析與研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]張揚明.基于質(zhì)量偏差分離的白車身在線檢測數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[3]來新民，林忠欽.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[4]李占利，年雪山.淺談車門與白車身尺寸匹配控制方法

[J].汽車制造業(yè)，2012（21）：64-66.

[5]來新民，林忠欽.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]