冉啟洪 湯艷剛 齊瑞霞 張朝霞

【摘 要】隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，汽車(chē)制造廠商開(kāi)始對(duì)汽車(chē)制造的質(zhì)量越來(lái)越重視。白車(chē)身的精度是汽車(chē)制造過(guò)程較關(guān)鍵的因素，文章介紹了基于機(jī)器人的車(chē)身焊接質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)，闡述了系統(tǒng)的組成、檢測(cè)原理及流程，以及在線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)等，并通過(guò)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象驗(yàn)證了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性。在線檢測(cè)技術(shù)在車(chē)身焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，能夠提高白車(chē)身焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)100%在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為測(cè)點(diǎn)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(chē)身；在線檢測(cè)技術(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；誤差分析

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）08-0037-04

白車(chē)身（Body-in-White，BIW）通常是指尚未裝配門(mén)蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的未涂裝的車(chē)身基本骨架，有時(shí)也泛指尚未進(jìn)入涂裝和內(nèi)飾件總裝階段之前的車(chē)身。它是轎車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾等轎車(chē)子系統(tǒng)的載體，是轎車(chē)動(dòng)力性、舒適性、平順性等轎車(chē)性能的載體，是轎車(chē)外在形象、外觀質(zhì)量的載體[1]。隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，白車(chē)身的尺寸要求變得越來(lái)越高，在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和加快生產(chǎn)節(jié)拍的同時(shí)，如何控制好車(chē)身尺寸是國(guó)內(nèi)各汽車(chē)廠家面臨的挑戰(zhàn)[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)許多的汽車(chē)廠家對(duì)于整車(chē)的外觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)和控制采取了一些策略，一種方法是采用AUDIT打分、PDI客戶評(píng)價(jià)等主管方法進(jìn)行抽樣評(píng)價(jià)，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(chē)的質(zhì)量；另一種方法是汽車(chē)廠家，如“一汽”“東風(fēng)”“奇瑞”等多采用檢驗(yàn)樣架和三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)等對(duì)車(chē)身的尺寸進(jìn)行檢測(cè)[5]，由于其具有較高的精度、測(cè)量結(jié)果直觀、可讀性較高等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于車(chē)身焊接質(zhì)量進(jìn)行抽樣離線的測(cè)量和監(jiān)測(cè)中，但由于其測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，需抽樣離線檢測(cè)，反應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)使得其測(cè)量效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，不能對(duì)焊接質(zhì)量做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，逐漸不能滿足現(xiàn)代汽車(chē)的生產(chǎn)節(jié)奏。

某國(guó)產(chǎn)汽車(chē)品牌的白車(chē)身采用了焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，具有自動(dòng)化率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，白車(chē)身的零部件、各分總成等均采用自動(dòng)化夾具和機(jī)器人自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)白車(chē)身焊接質(zhì)量的100%實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和很好地控制白車(chē)身焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成

該檢測(cè)系統(tǒng)為全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試和機(jī)器人的示教后，整個(gè)工作過(guò)程為自動(dòng)完成對(duì)白車(chē)身關(guān)鍵特征點(diǎn)的信號(hào)采集。系統(tǒng)包括硬件和軟件2個(gè)部分，其中硬件部分由4臺(tái)Kawasaki系列工業(yè)機(jī)器人、4臺(tái)Perceptron系列線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器、測(cè)量控制柜、機(jī)器人控制柜、測(cè)量計(jì)算機(jī)、溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)球（1臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球，左右各1個(gè)，一高一低）和安全光柵等組成；軟件部分由測(cè)量控制軟件、溫度補(bǔ)償軟件和數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析軟件等組成。4臺(tái)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)選用的視覺(jué)傳感器是基于單攝像機(jī)的Perceptron系列線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器，傳感器安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，工作時(shí)由機(jī)器人帶動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)特征的測(cè)量，傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)量機(jī)器人工作時(shí)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度為0.21 mm，生產(chǎn)節(jié)拍為60 s/臺(tái)，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為3 s（含機(jī)器人移動(dòng)時(shí)間），整個(gè)測(cè)量周期為39 s。

（2）視覺(jué)傳感器參數(shù)：測(cè)量精度為±0.05 mm，工作距離為100 mm，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為0.5 s（不含機(jī)器人移動(dòng)時(shí)間）。

（3）工業(yè)機(jī)器人參數(shù)：測(cè)量精度為±0.1 mm，測(cè)點(diǎn)之間機(jī)器人移動(dòng)時(shí)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(duì)濕度為59%～87%，單相交流電為220 V±10%，50 Hz±0.5 Hz。

1.2 測(cè)量原理

在線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的特征對(duì)象包括平面、邊緣、內(nèi)外棱、銷(xiāo)釘、孔、槽和多邊形等，以特征孔為例，傳感器的測(cè)量原理如圖3所示。系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器會(huì)向測(cè)量對(duì)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(cè)量對(duì)象的平面上，工業(yè)相機(jī)拍攝該對(duì)象的輪廓，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得的圖像信息得到測(cè)量結(jié)果，在車(chē)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(duì)象，是為了獲得測(cè)量對(duì)象在空間的位置，在車(chē)身坐標(biāo)系下定義為Z向的坐標(biāo)。

以被測(cè)點(diǎn)P為例，被測(cè)點(diǎn)P的測(cè)量結(jié)果為車(chē)身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，而傳感器測(cè)量出點(diǎn)P的坐標(biāo)為傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)坐標(biāo)變換將傳感器坐標(biāo)系下P點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到車(chē)身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其具體變換過(guò)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(chē)身坐標(biāo)系，完成被測(cè)點(diǎn)P的測(cè)量。

1.3 測(cè)量工作流程

白車(chē)身在傳輸滑橇上由高速滾床傳輸至檢測(cè)工位，夾具自動(dòng)完成定位和夾緊后，控制器將“開(kāi)始檢測(cè)”信號(hào)發(fā)送給檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)控制器將“車(chē)型”和“檢測(cè)開(kāi)始”信號(hào)發(fā)送給檢測(cè)機(jī)器人，機(jī)器人接收到該信號(hào)后開(kāi)始工作，帶動(dòng)視覺(jué)傳感器通過(guò)標(biāo)定的軌跡到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置，到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置后，視覺(jué)傳感器開(kāi)始測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，并將該圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)量完成后測(cè)量控制器發(fā)送“測(cè)量完成”信號(hào)給檢測(cè)系統(tǒng)，機(jī)器人收到該信號(hào)后向下一個(gè)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，至此便完成了一個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)以上單個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)流程的重復(fù)工作便完成了整個(gè)被測(cè)特征點(diǎn)100%的在線檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)判斷測(cè)量的結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)線發(fā)出繼續(xù)生產(chǎn)、報(bào)警或停線的指令?，F(xiàn)場(chǎng)的工作人員可通過(guò)觀察結(jié)果了解該階段車(chē)身的焊接質(zhì)量、分析問(wèn)題的原因并及時(shí)做出調(diào)整。在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

2 在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)分析

在線檢測(cè)系統(tǒng)完成搭建后，經(jīng)過(guò)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(chē)型進(jìn)行柔性檢測(cè)，一旦測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)允許的范圍，系統(tǒng)便立即報(bào)警。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)，車(chē)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(cè)系統(tǒng)配套有專(zhuān)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(duì)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(chē)型信息欄及工作欄等。

下面以某一車(chē)型為例說(shuō)明在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。該車(chē)型的生產(chǎn)節(jié)拍為60輛/h，車(chē)身的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為200個(gè)，測(cè)點(diǎn)包括基準(zhǔn)孔和安裝孔89個(gè)，基準(zhǔn)面和外觀匹配面111個(gè)，采集其一段時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在操作界面中，從工作欄可以查看測(cè)點(diǎn)分布外，還能查看測(cè)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(shí)時(shí)、直觀地在工作欄查看到車(chē)型的測(cè)點(diǎn)分布和尺寸偏差外，測(cè)點(diǎn)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(dòng)較大，說(shuō)明此時(shí)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(shí)分析其原因并解決該問(wèn)題；從尺寸極限差的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可知，該段檢測(cè)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題便可立即處理。

2.2 在線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）測(cè)量數(shù)據(jù)可視性。在線檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果以圖表、曲線顯示在計(jì)算機(jī)上。測(cè)點(diǎn)位置和區(qū)域在屏幕上以圖形的形式顯示，且顯示測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)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(guò)允許范圍。通過(guò)該系統(tǒng)可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，降低車(chē)身焊接的返修率和報(bào)廢率。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)性。測(cè)量結(jié)果除了會(huì)保存在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器之外，還會(huì)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(guò)局域網(wǎng)隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、分析測(cè)量數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)白車(chē)身的焊接質(zhì)量。

（3）測(cè)量數(shù)據(jù)可分析性。歷史數(shù)據(jù)按月、年存儲(chǔ)在服務(wù)器中，技術(shù)人員可隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，在線檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)白車(chē)身檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。測(cè)量歷史數(shù)據(jù)能夠反映一段時(shí)間內(nèi)車(chē)身焊接質(zhì)量的規(guī)律，技術(shù)人員可通過(guò)對(duì)該時(shí)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(duì)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(chē)身焊接的精度。

3 結(jié)論

在線檢測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、測(cè)量效率高和測(cè)量結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，配合檢驗(yàn)樣架和三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的使用，能夠有效地減少或避免由于車(chē)身尺寸問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)線其他工位造成停線或影響后續(xù)裝配等問(wèn)題。該國(guó)產(chǎn)汽車(chē)品牌采取在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車(chē)身焊接質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，車(chē)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(wèn)題也明顯減少。在今后的使用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)的位置分布、檢測(cè)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(chē)身焊接的精度，進(jìn)而提高自我的品牌價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]施成攀.汽車(chē)白車(chē)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(yáng)明.基于質(zhì)量偏差分離的白車(chē)身在線檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[3]來(lái)新民，林忠欽.轎車(chē)車(chē)體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[4]李占利，年雪山.淺談車(chē)門(mén)與白車(chē)身尺寸匹配控制方法

[J].汽車(chē)制造業(yè)，2012（21）：64-66.

[5]來(lái)新民，林忠欽.轎車(chē)車(chē)體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]