陳志勇，張紀(jì)珠，耿美君

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201805）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)在大型制造工業(yè)中作為典型的代表，已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展階段。由于汽車制造過(guò)程中涉及的領(lǐng)域較廣，線上和線下測(cè)量項(xiàng)目越來(lái)越多，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)在逐漸的提高，大尺寸測(cè)量、復(fù)雜腔體曲面測(cè)量、價(jià)值高且對(duì)安全要求較高成為了現(xiàn)階段主要的技術(shù)難題。目前，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量方法已經(jīng)不能滿足高精度和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等的要求[1]。基于激光和視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，精度高的特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用提出了更為迫切的需求[2]。

葉振宇針對(duì)ATOS設(shè)備在汽車尺寸管理中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，該設(shè)備基于光學(xué)測(cè)量原理，結(jié)合光柵干涉條紋、三角形原則及雙目視覺(jué)等技術(shù)，使汽車尺寸檢測(cè)效率和精度得到了極大的提高[3]。黃小燕[4]為了提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室容積計(jì)算精度，利用三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)采集容積模型參數(shù)，對(duì)容積計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。史堯臣[5]提出了一種基于激光三角法的汽車同步帶齒形輪廓參數(shù)非接觸式測(cè)量方案。羅曉龍[6]采用雙目成像的視覺(jué)測(cè)量方法對(duì)汽車車身左右高度差進(jìn)行了在線檢測(cè)。除此之外，激光跟蹤儀在汽車制造業(yè)中在線檢測(cè)、車身掃描等領(lǐng)域也存在諸多應(yīng)用[7～10]。

本文基于激光和視覺(jué)測(cè)量技術(shù)對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用較廣的在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了激光測(cè)量和視覺(jué)測(cè)量的特點(diǎn)，并對(duì)其測(cè)量原理與應(yīng)用方法進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了激光和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性，解決了大尺寸、腔體復(fù)雜、安全要求高的汽車車身零件高精度、在線實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題。

1 基于激光和視覺(jué)技術(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成及原理

基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)和激光測(cè)量技術(shù)的在線非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，兼容光學(xué)測(cè)量的效率優(yōu)勢(shì)及機(jī)器人測(cè)量柔性優(yōu)勢(shì)，可對(duì)車身及零部件實(shí)現(xiàn)100%在線尺寸監(jiān)控。汽車零部件在線測(cè)量系統(tǒng)（如圖1所示），一般采用標(biāo)準(zhǔn)4機(jī)器人在線測(cè)量工位，占地大小約6m×8m，由在線測(cè)量機(jī)器人、柔性傳感器、固定式傳感器、傳感器安裝附件、傳感器電纜、溫度補(bǔ)償裝置、測(cè)量軟件和測(cè)量控制柜等部件組成。

圖1 汽車零部件在線測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖2 激光在線測(cè)量項(xiàng)目實(shí)施流程

其工作原理是：首先，通過(guò)模擬機(jī)器人的軌跡行徑，設(shè)計(jì)工作線路，保證各機(jī)器人在工作時(shí)與被測(cè)工件不產(chǎn)生干涉并且互相之間不產(chǎn)生干涉，快速地完成測(cè)量任務(wù)。然后，以地面控制點(diǎn)作為全局跟蹤系統(tǒng)的固定參考，借助全局相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉傳感器位置，同時(shí)也根據(jù)地面控制模塊修正傳感器自身位置進(jìn)行精確調(diào)整。最后三維掃描傳感器利用光學(xué)成像的空間三角原理，利用了被測(cè)物體表面對(duì)激光束的漫反射效應(yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)位移，生成用于實(shí)時(shí)分析的復(fù)雜幾何特征點(diǎn)云，采用先進(jìn)算法對(duì)特征進(jìn)行提取，并解算三維信息，完成對(duì)零件的在線檢測(cè)。

2 在線測(cè)量技術(shù)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

激光在線測(cè)量自項(xiàng)目規(guī)劃至交付使用期間經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。共分為4各階段，分別為項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)備安裝調(diào)試、相關(guān)性分析與調(diào)整、批量質(zhì)量監(jiān)控優(yōu)化。

2.1 項(xiàng)目規(guī)劃階段

1）在線測(cè)量（Inline）工位安裝布置

在線測(cè)量是相對(duì)于離線尺寸測(cè)量方式的一種用來(lái)監(jiān)控批量生產(chǎn)的車身零部件尺寸穩(wěn)定性的一種測(cè)量技術(shù)，工位通常串聯(lián)在生產(chǎn)流水線內(nèi)，以尺寸測(cè)量為目的，位于每條大總成生產(chǎn)線的最后一個(gè)工位。Inline工位的設(shè)置如圖3所示。

圖3 激光在線測(cè)量（Inline）工位布置圖

2）在線測(cè)量測(cè)點(diǎn)的定義和規(guī)范化

目前基本上各車型都有在線測(cè)量工位，如何運(yùn)用好這些數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)對(duì)于車身批量控制發(fā)揮最大的效用，是在線測(cè)量工作的最終目標(biāo)。測(cè)點(diǎn)的選擇和分布具有重要意義。以往項(xiàng)目，測(cè)點(diǎn)選擇將按照每個(gè)廠區(qū)特別是樣板人員的經(jīng)驗(yàn)選擇，以功能尺寸為主。為了進(jìn)一步提高效率，我們提出的分區(qū)域預(yù)警理念。將測(cè)點(diǎn)按照重要性分為重點(diǎn)監(jiān)控FM測(cè)點(diǎn)、普通FM測(cè)點(diǎn)以及一般PMP測(cè)點(diǎn)，將70%～80%的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行固化，使測(cè)點(diǎn)選擇更有延續(xù)性和可比性，便于集中反映報(bào)警區(qū)域，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

2.2 設(shè)備安裝調(diào)試階段

測(cè)點(diǎn)定義結(jié)束之后，需要按照我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車零部件在線測(cè)量系統(tǒng)模型圖，將機(jī)器人、柔性傳感器、固定式傳感器、傳感器安裝附件、傳感器電纜、溫度補(bǔ)償裝置、測(cè)量軟件和測(cè)量控制柜等設(shè)備安裝入位。由于測(cè)量過(guò)程對(duì)振動(dòng)、光照等干擾因素比較敏感，同時(shí)對(duì)測(cè)量位置、測(cè)量算法的要求也相當(dāng)嚴(yán)格，所以要進(jìn)行系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)重復(fù)性測(cè)試來(lái)確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

1）設(shè)備靜態(tài)精度測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試是零件夾緊不動(dòng)，激光對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)100次，直到零件上的全部測(cè)點(diǎn)測(cè)完。通過(guò)靜態(tài)測(cè)試可以得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的Mean值、Range值和6 Sigma值，其中6 Sigma可以反應(yīng)出測(cè)試的重復(fù)性精度。靜態(tài)測(cè)試驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)為：所有測(cè)點(diǎn)的6 Sigma＜0.03。

圖4展示了不同測(cè)點(diǎn)測(cè)量100次的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果，由于靜態(tài)測(cè)試的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為6 Sigma原則，圖中以6 Sigma測(cè)量值進(jìn)行從大到小進(jìn)行排列，明顯發(fā)現(xiàn)，所有測(cè)點(diǎn)6 Sigma均小于0.03，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

2）設(shè)備半動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

半動(dòng)態(tài)測(cè)試必須在靜態(tài)測(cè)試完成通過(guò)后才能進(jìn)行，對(duì)零件全部測(cè)點(diǎn)測(cè)完一次后需要循環(huán)測(cè)試15遍，每次測(cè)試前夾具松開(kāi)零件重新放置定位。通過(guò)半動(dòng)態(tài)測(cè)試得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的Mean值、Range值和6 Sigma值，其中6 Sigma可以反應(yīng)出測(cè)試的重復(fù)性精度。半動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)為：所有測(cè)點(diǎn)的6 Sigma＜0.3。

圖5展示了不同測(cè)點(diǎn)測(cè)量15次的半動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果，圖中同樣以6 Sigma測(cè)量值進(jìn)行從大到小進(jìn)行排列，明顯發(fā)現(xiàn)，所有測(cè)點(diǎn)6 Sigma均小于0.3，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 半動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

3）設(shè)備動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試必須在靜態(tài)測(cè)試和半動(dòng)態(tài)測(cè)試完成通過(guò)后才能進(jìn)行，對(duì)零件全部測(cè)點(diǎn)測(cè)完一次后夾具松開(kāi)，將下一個(gè)零件放置夾緊定位測(cè)量，是Inline系統(tǒng)模擬生產(chǎn)線節(jié)拍進(jìn)行應(yīng)用的測(cè)試。每個(gè)車型至少有3個(gè)零件用于測(cè)試。測(cè)量的周期必須類似于量產(chǎn)時(shí)的節(jié)拍，包括車身零件的輸送、零件定位和夾緊等。

測(cè)量設(shè)備的實(shí)用性是由通過(guò)比較測(cè)量設(shè)備測(cè)量的極限偏差和公差來(lái)決定。動(dòng)態(tài)測(cè)試的計(jì)算公式如式(1)所示。

其中：

us為傳感器測(cè)頭精度，us=0.6×MPESenser；uKal為傳感器測(cè)頭標(biāo)定的測(cè)量偏差；uw為動(dòng)態(tài)測(cè)試的測(cè)量偏差。

2.3 相關(guān)性調(diào)整分析階段

三坐標(biāo)測(cè)量（CMM）系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的測(cè)量手段已被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，激光在線測(cè)量系統(tǒng)作為一種新型的手段和技術(shù)，其測(cè)量結(jié)果是否真實(shí)可信有待考量。根據(jù)VDI/VDE標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和CMM之間的關(guān)系應(yīng)為線性關(guān)系，為了考察這些內(nèi)容，需將其測(cè)量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，因此有必要將激光Inline測(cè)量系統(tǒng)與三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比以驗(yàn)證。

以全新朗逸車身零件為例，分別采集激光和視覺(jué)技術(shù)在線測(cè)量數(shù)據(jù)及三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，求取它們之間的相關(guān)系數(shù)r。計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 全新朗逸車身零件激光測(cè)量和CMM測(cè)量相關(guān)系數(shù)

表1反應(yīng)了不同工位分別采用視覺(jué)在線測(cè)量和CMM測(cè)量的比對(duì)檢測(cè)報(bào)告，明顯發(fā)現(xiàn)，采用兩種方式測(cè)量的相關(guān)性非常高，一致性都處在0.7以上，驗(yàn)證了視覺(jué)在線測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

2.4 批量質(zhì)量監(jiān)控和優(yōu)化階段

根據(jù)規(guī)劃階段的測(cè)點(diǎn)定義和分類，將測(cè)點(diǎn)按照重要性分為重點(diǎn)監(jiān)控FM、普通FM以及一般PMP點(diǎn)。通過(guò)在Inline數(shù)據(jù)處理軟件中，設(shè)置三級(jí)監(jiān)控尺寸的公差，分別為趨勢(shì)報(bào)警公差，報(bào)警公差和停線報(bào)警公差。Inline原始公差采用圖紙公差或PMP公差，報(bào)警公差及停線公差分別定義為2倍及3倍的PMP公差。

重點(diǎn)監(jiān)控FM：有超過(guò)停線公差出現(xiàn)的，即視為停線一次。

普通FM：?jiǎn)闻_(tái)車大于20%數(shù)量的FM超過(guò)停線公差或是連5臺(tái)車同一 FM超過(guò)停線公差，即視為停線一次。

一般PMP點(diǎn)：?jiǎn)闻_(tái)車大于30%數(shù)量的PMP點(diǎn)超過(guò)停線公差或是連續(xù)5臺(tái)車同一PMP點(diǎn)超差，即視為停線一次。

通過(guò)在線測(cè)量的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)車身零件進(jìn)行優(yōu)化，可以有效避免車身質(zhì)量缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，多種測(cè)量附件配合下的激光和視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)具備良好的車間現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，特別是在大尺寸、復(fù)雜車身零部件實(shí)時(shí)在線測(cè)量上具備較為突出的優(yōu)勢(shì)。本文立足于實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了汽車零件在線測(cè)量系統(tǒng)，解決了大尺寸、腔體復(fù)雜、安全要求高的汽車車身零件高精度、在線實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。