白車身覆蓋件自動裝配技術(shù)探索與研究

摘要： 基于某前驅(qū)車項(xiàng)目中多個車型的自動裝配技術(shù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對Best-fit技術(shù)相關(guān)的通用調(diào)試流程與方法、投入產(chǎn)出優(yōu)勢及質(zhì)量狀態(tài)評價等進(jìn)行了總結(jié)。重點(diǎn)介紹了該技術(shù)在新車型投產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用情況，為新項(xiàng)目白車身覆蓋件的裝配尺寸保證提供了前瞻性思考和標(biāo)準(zhǔn)化思路。

關(guān)鍵詞：白車身 自動裝配 Best-fit 調(diào)試流程

中圖分類號：U466" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240151

Exploration and Research on Automatic Assembly Technology of BIW Panel Parts

Lu Yong， Zhang Jianbo

（Beijing Benz Automotive Co.， Ltd.， Beijing 102600）

Abstract： Based on the experience of commissioning automated assembly technology for multiple models in a front-wheel drive vehicle project， the paper summarizes the general commissioning processes and methods related to Best-fit technology， its input-output advantages， and quality status evaluation. This paper also emphatically introduces the practical application of this technology in the production of new vehicle models， providing forward-thinking insights and standardized approaches for BIW panel parts of new projects to ensure assembly dimensions.

Key words： BIW， Automated assembly， Best-fit， Adjusting process

1 前言

白車身制造的尺寸一致性對整車匹配有著重大影響[1]，同時其覆蓋件裝配質(zhì)量和過程控制水平也關(guān)系到成車的產(chǎn)能和尺寸質(zhì)量，因此尺寸控制也成為車身質(zhì)量控制的關(guān)鍵[2]。做好新車型的尺寸質(zhì)量控制工作，可極大縮短開發(fā)周期，在不損失質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目降本[3]。

覆蓋件的自動裝配技術(shù)可以在減少裝配誤差的同時極大提升產(chǎn)能[4]。Best-fit自動裝配技術(shù)通過多種激光傳感器測量以及專業(yè)軟件計(jì)算最終擬合出零件間最佳的匹配位姿[5]完成覆蓋件與白車身間的裝配。該技術(shù)具有高精度、高穩(wěn)定性、高柔性的特點(diǎn)，在提升生產(chǎn)節(jié)拍、提高裝配效率以及裝配標(biāo)準(zhǔn)化方面有著極大的優(yōu)勢[6]。

雖然該技術(shù)體系在白車身制造中較為先進(jìn)，但還沒有相對完善的標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)試策略?；谀城膀?qū)車項(xiàng)目，結(jié)合各車型尺寸的控制經(jīng)驗(yàn)，提出了一套完整的Best-fit技術(shù)調(diào)試流程和后期投產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以解決裝配尺寸控制問題。

2 Best-fit技術(shù)原理

幾何尺寸不僅影響車身制造和裝配過程，還影響產(chǎn)品的功能[7]。因此Best-fit系統(tǒng)會利用帶有傳感器的機(jī)械抓手對白車身覆蓋件的幾何尺寸進(jìn)行測量與計(jì)算，最終將工件置于與車身匹配的最佳位置。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，借助于接收到的傳感器信號（距離傳感器、光線傳感器及視覺傳感器），系統(tǒng)會持續(xù)調(diào)整機(jī)器人位置。

在開始運(yùn)行前，Best-fit系統(tǒng)須以一個參照物進(jìn)行設(shè)置，如圖1所示小矩形代表機(jī)器人抓取的待安裝部件，大多邊形表示車身。該系統(tǒng)通過距離傳感器在4個點(diǎn)測量2個部件之間的距離，將待安裝部件正確放置在車身上的訓(xùn)練位置（Training Position），此時的傳感器測量結(jié)果為標(biāo)稱值。

Best-fit系統(tǒng)設(shè)置的下一步是設(shè)定機(jī)器人初始位置（Training），在該過程中，機(jī)器人沿著每個坐標(biāo)移動一小段距離，將部件移動到目標(biāo)位置，同時傳感器的測量值相應(yīng)變化會被記錄并存儲在靈敏度矩陣中。系統(tǒng)將這些結(jié)果重新計(jì)算成雅可比矩陣。利用雅可比矩陣，可以追蹤待安裝部件的位置變化，調(diào)整機(jī)器人的位置，以便將其移動到與車身匹配的正確相對位置。如圖2所示，使用4個現(xiàn)有的傳感器，可以沿著3個坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，2個平行自由度X和Z，以及一個旋轉(zhuǎn)自由度B。

當(dāng)傳感器的標(biāo)稱值設(shè)置完成，并且初始位置設(shè)定完成后，Best-fit系統(tǒng)完全設(shè)置完成，可以投入使用。Best-fit系統(tǒng)運(yùn)行工作過程如圖3所示，機(jī)器人抓手抓取零件首先到達(dá)車身的初始位置（左圖），然后激活最佳匹配位置控制，傳感器測量零件與車身之間的距離，Best-fit系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的相對關(guān)系，數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人沿著指定的方向移動，完成位置修正。

綜上，Best-fit系統(tǒng)工作循環(huán)為：

a.捕獲傳感器測量值；

b.計(jì)算校正位置并將結(jié)果傳遞給機(jī)器人；

c.機(jī)器人向新的位置移動并不斷修正方向。

如果由傳感器測量值計(jì)算出的位置校正值始終較小，則Best-fit系統(tǒng)自動終止位置校正最終狀態(tài)下，所有傳感器值都是標(biāo)稱值，待安裝部件已達(dá)到與車身相對的正確位置。

如圖4所示，車身已被移動。因此，在裝配控制開始后，情況如左圖所示。待安裝的部件也將修正并移動到相對車身的正確位置。

如果車身明顯偏離理論位置，待安裝部件則會自動遠(yuǎn)離初始位置，為避免機(jī)器人不可預(yù)見的移動，最大控制距離會被限制，達(dá)到控制極限后，機(jī)器人停止移動，同時出現(xiàn)相應(yīng)的錯誤提示。

圖5所示為形狀稍有偏差的零件的位置控制。此時一旦實(shí)際值和標(biāo)稱值之間的偏差均勻分布在所有傳感器上，控制即停止，Best-fit系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果將待安裝部件放置在最佳位置。

對于具有形狀偏差的車身，Best-fit最佳擬合的過程與有形狀偏差的部件的裝配過程類似。

3 Best-fit調(diào)試流程與方法

3.1 距離傳感器調(diào)試

如圖6所示為距離傳感器調(diào)整界面。調(diào)整距離傳感器時，根據(jù)軟件顯示的數(shù)值和現(xiàn)場實(shí)際情況不斷移動傳感器位置，使軟件顯示數(shù)值不斷減小，當(dāng)在平行狀態(tài)下，軟件顯示與零件的距離為“0”時，調(diào)整即完成（此時傳感器與零件的實(shí)際距離約為20 mm）。

3.2 抓手傳感器調(diào)試

首先應(yīng)確認(rèn)抓手上所有傳感器的理論位置是否正確，因此首先在待安裝部件上找到并標(biāo)識出傳感器理論位置，以Z177車型后門抓手調(diào)試為例，如圖7所示。將Z177后門進(jìn)行三坐標(biāo)測量標(biāo)注所有抓手傳感器的理論位置，劃線記錄，然后將已劃好線的后門放入上件工裝夾具，定位夾緊，之后令機(jī)器人抓手運(yùn)行到抓件位置，調(diào)整傳感器位置使其光束與劃線重合，記錄并保存數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.3 裝配位置傳感器調(diào)試

首先對整車所有傳感器測量點(diǎn)劃線，劃線時對覆蓋件在整車上的位置精度要求很高，需要將所有定位基準(zhǔn)點(diǎn)（Reference Point System，RPS）調(diào)整到±0.1 mm以內(nèi)，包括有一些Best-fit系統(tǒng)會測量的特殊測量點(diǎn)，然后劃線標(biāo)識。之后將劃線車導(dǎo)入裝配工位，將抓手運(yùn)行到考核測量位置，調(diào)整所有傳感器位置使其光束與劃線重合，如圖8所示，最后記錄并保存數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.4 傳感器集成支架調(diào)試

如圖9a所示，首先將機(jī)器人運(yùn)行到傳感器集成支架 （Sensor tree）的預(yù)設(shè)位置上，按照傳感器的編號有序調(diào)整。調(diào)整時，所有傳感器的位置不動，只通過調(diào)整傳感器集成支架上的校驗(yàn)塊位置，使傳感器的光束與目標(biāo)校驗(yàn)塊重合，如圖9b，最后將與校驗(yàn)塊相關(guān)的所有轉(zhuǎn)接位置鎖緊。

距離傳感器的校驗(yàn)塊調(diào)試稍有不同，目標(biāo)是將光束調(diào)整到與校驗(yàn)塊凹槽中突起的圓柱位置重合，如圖9c所示。

校驗(yàn)塊實(shí)體位置調(diào)整完成后，還需要在軟件中進(jìn)一步調(diào)整傳感器位置。線傳感器在保持光束與校驗(yàn)塊重合的情況下，需將軟件中的傳感器顯示位置調(diào)整到如圖10所示的位置，此時為最佳位置。

距離傳感器在保持光束與校驗(yàn)塊凹槽中突起的圓柱位置重合的情況下，將傳感器與校驗(yàn)塊的距離調(diào)整到0時為最佳位置（此時傳感器與校驗(yàn)塊實(shí)際距離約為20 mm）。

3.5 Best-fit 穩(wěn)定性調(diào)試

傳感器穩(wěn)定性直接關(guān)系整個測試結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠[8]，因此，傳感器的調(diào)試工作全部完成后，為確定傳感器測量的重復(fù)性精度，必須進(jìn)行傳感器系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性測試，即抓手?jǐn)y帶待安裝部件移動到考核測量位置。檢具檢測能力以cg表示，機(jī)器人抓手?jǐn)y帶零件移動一個4 mm×4 mm×4 mm的立方體，在每個位置測量100次，如果每個傳感器的70個測量值滿足cg≥1.33的要求，則認(rèn)為穩(wěn)定性測試（Mean Failure Units，MFU）通過。需要注意的是，由于鉸鏈和零件之間沒有足夠的空間移動4 mm，對于點(diǎn)傳感器的Y方向的立方體試驗(yàn)，該值調(diào)整為1 mm×1 mm×1 mm。以Z177后門為例，MFU測試700次的測量結(jié)果如圖11所示，測量結(jié)果為通過。

3.6 裝配穩(wěn)定性測試

MFU測試通過后，需要對同一零件進(jìn)行多次重復(fù)性裝配，驗(yàn)證其結(jié)果的穩(wěn)定性。使用同一個白車身、同一個車門、同一對鉸鏈，在相同的裝配過程下，對裝配結(jié)果進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)。對比數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定性。如果變化量Δlt;0.3，則穩(wěn)定性通過。如果Δgt;0.3，則需要逐步排查問題原因，主要從2個方面分析：一是車門裝配到白車身的過程，抓手是否有問題、擰緊過程是否不穩(wěn)定，二是鉸鏈裝配到車門和裝配到車身的過程，鉸鏈角度是否有變化、鉸鏈抓手是否穩(wěn)定、車門工裝胎定位塊是否有松動、電動墊片是否穩(wěn)定、擰緊過程是否穩(wěn)定等，逐一排查并消除問題后重復(fù)裝配穩(wěn)定性測試，直到Δlt;0.3時，穩(wěn)定性測試通過，并將測試結(jié)果在如圖12所示的 MFU測試結(jié)果記錄單中體現(xiàn)。

3.7 尺寸功能調(diào)試

如圖13所示，穩(wěn)定性測試都通過后，開始設(shè)置Best-fit系統(tǒng)的初始位置，然后調(diào)整設(shè)置裝配位置（Mounting Position），將抓手運(yùn)行到裝配位置，并將此時的終補(bǔ)償（Final Offset）值更改為0，即可針對實(shí)際的裝配情況，通過更改終補(bǔ)償值調(diào)整車門姿態(tài)尺寸。

3.8 數(shù)據(jù)對比校正

如圖14所示，為保證Best-fit裝配測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須定期將Best-fit測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)對比校正。

4 Best-fit自動裝配技術(shù)的應(yīng)用

在某車型右前門的裝配穩(wěn)定性測試過程中，傳感器測量的結(jié)果波動非常大，穩(wěn)定性測試一直不能通過。

為了分析問題的根本原因，對裝配過程中的每一步進(jìn)行了詳細(xì)檢查：

a.上件檢查：檢查各定位面是否有效接觸；檢查夾緊順序是否正確、各夾緊頭是否松動。

b.擰緊檢查：檢查擰緊前鉸鏈與車門鈑金是否有間隙，擰緊過程鉸鏈?zhǔn)欠裼形灰疲?/p>

c.裝配檢查：檢查裝配過程各位置是否完全到位。

d.測量檢查：檢查傳感器連接是否松動，傳感器測量的程序是否存在錯誤。

經(jīng)詳細(xì)排查，最終發(fā)現(xiàn)2個導(dǎo)致穩(wěn)定性測試不能通過的根本原因。一是工裝夾緊順序錯誤，優(yōu)化前的夾緊順序?yàn)殡妱訅|片（E-shim）、氣缸（Cylinder）、夾具（Clamp）（圖15b所示方向），導(dǎo)致車門在被夾緊后有位置移動。因此將夾緊順序調(diào)整為夾具、氣缸、電動墊片（圖15c所示方向），即將氣缸深處變?yōu)檐囬T夾緊順序的最后一步。

二是傳感器測量工作開始過早，在與傳感器相連的氣缸還沒有到位的情況下，已經(jīng)開始測量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動，穩(wěn)定性差。如圖16所示，解決方法為優(yōu)化傳感器測量程序，將測量時間延后3 s，待傳感器氣缸到達(dá)停止位后再開始測量。

問題逐一解決后，再次測試車門的裝配穩(wěn)定性結(jié)果明顯改善，測試通過。MFU穩(wěn)定性測試結(jié)果對比如圖17所示。

5 Best-fit技術(shù)投入產(chǎn)出優(yōu)勢

項(xiàng)目初期156車型調(diào)整線（手動裝配）的規(guī)劃與Z177車型（Best-fit裝配）大體相同，調(diào)整線為8人/單班（未包括裝配線的車門調(diào)整4人），完成線共有10人，調(diào)整線及完成線人員配比如圖18所示。

Z177車型開始量產(chǎn)（Start of Production， SOP）后，Z177線項(xiàng)目前期調(diào)整線共有10人/單班（如果除去4人車門調(diào)整，共6人），調(diào)整線相比于X156線人員較多，項(xiàng)目初期車門自動裝配的合格率較低，車門區(qū)域返修量較大，調(diào)整線工作量較多。經(jīng)逐漸優(yōu)化后Best-fit線車門區(qū)域自動裝配逐漸穩(wěn)定，人員優(yōu)化狀態(tài)如圖19所示。

Z177車型SOP后2個月內(nèi)，車門區(qū)域的一次性裝配合格率穩(wěn)步上升，調(diào)整線ST30工位優(yōu)化2人/單班，繼續(xù)4個月優(yōu)化后，Best-fit線車門一次裝配合格率進(jìn)一步提升，人員狀態(tài)如圖20所示。

其中調(diào)整線ST40工位優(yōu)化2人/單班，目前調(diào)整線為6人/單班，從 SOP后6個月期間內(nèi)調(diào)整線共優(yōu)化4人，共節(jié)省168萬元/年。

6 裝焊及總裝車間質(zhì)量評價

經(jīng)過逐步優(yōu)化，Best-fit線裝配一次合格率逐漸上升，達(dá)到80%以上，單點(diǎn)穩(wěn)定性良好，80%以上過線車輛不需在裝焊車間內(nèi)部進(jìn)行任何人工干預(yù)，裝配質(zhì)量優(yōu)秀。Best-fit線合格率爬坡圖如圖21所示。其中PT3均值為SOP前最后一個試裝周期平均值。

裝焊車間Bestfit線的交付狀態(tài)直接決定了成車在總裝車間的狀態(tài)，經(jīng)過不斷優(yōu)化，輸入到總裝車間的車身尺寸狀態(tài)越來越穩(wěn)定，總裝調(diào)整量及一致性有顯著提升，至總裝車間的成車一次合格率可達(dá)95%以上。

同時，Best-fit線會根據(jù)白車身與零件匹配狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。裝焊車間與總裝車間制定了《外飾間隙平順度標(biāo)準(zhǔn)》，用于指導(dǎo)裝焊白車身尺寸與的調(diào)整與優(yōu)化方向以及與總裝零件的匹配關(guān)系。

7 結(jié)束語

本文對Best-fit技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了提煉和總結(jié)，提出了一套完整的Best-fit技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試流程和質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，此方案已在MFA2項(xiàng)目中得到了全面應(yīng)用，效果顯著。

將Best-fit技術(shù)原理及特點(diǎn)，通用調(diào)試流程與方法，投入產(chǎn)出優(yōu)勢及裝焊總裝質(zhì)量狀態(tài)評價等方面進(jìn)行了論述，同時對應(yīng)用情況及相關(guān)成本優(yōu)勢進(jìn)行了探討。

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