胡浩，胡博，張劍

1.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 100096；2.華北電力大學(xué)，北京 071003；3.北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京 101309

0 引言

白車身制造是一項(xiàng)系統(tǒng)集成度較高的工程，它由復(fù)雜的具有空間曲面特性的薄板沖壓件，在焊裝生產(chǎn)線上快速地、大批量地焊接而成，其裝配定位點(diǎn)或孔可達(dá)1 800多個(gè)，焊點(diǎn)在3 000～5 000個(gè)。其制造過程中生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，容易出現(xiàn)偏差，直接影響到最終汽車產(chǎn)品的質(zhì)量，例如汽車的密封性、行駛平順性、靜謐性、外觀及汽車的制造成本等。

白車身精度是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一，而傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備由于受測(cè)量環(huán)境、空間等原因的限制，技術(shù)人員只能進(jìn)行離線抽樣檢測(cè)，檢測(cè)效率低且周期長(zhǎng)。由于汽車制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍和白車身的制造精度要求越來越高，需要對(duì)白車身精度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，這是傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備無法完成的。

為此，本文提出了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)。視覺檢測(cè)技術(shù)的成熟發(fā)展和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，視覺在線檢測(cè)技術(shù)具有效率高 (在線100%測(cè)量率，測(cè)量速度快)、適應(yīng)性強(qiáng)(各個(gè)工位工況布置)、非接觸的明顯優(yōu)勢(shì)，適用于和白車身制造過程相關(guān)的精度偏差故障診斷，保證了白車身生產(chǎn)效率、制造精度及檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

1 智能在線檢測(cè)設(shè)備

1.1 智能在線檢測(cè)方案平面布局

某工廠焊裝車間一期生產(chǎn)線(#31)的生產(chǎn)節(jié)拍為71臺(tái)/h，平均約50.7 s下線一臺(tái)白車身，快速的生產(chǎn)節(jié)奏需要高精度的白車身制造與檢測(cè)能力。

焊裝車間的智能在線檢測(cè)系統(tǒng)布置在主焊線最后一個(gè)機(jī)器人工位，即BR(body respot) LINE工位。智能在線檢測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)線布局如圖1所示。根據(jù)實(shí)際測(cè)量點(diǎn)分布以及機(jī)器人的工作半徑，檢測(cè)站布置了5臺(tái)工作機(jī)器人，生產(chǎn)技術(shù)人員通過機(jī)器人三維仿真模擬后，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布局論證，最終確定的智能在線檢測(cè)系統(tǒng)工作站布局如圖2所示。

圖1 智能在線檢測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)線布局

圖2 智能在線檢測(cè)系統(tǒng)工作站布局

智能在線檢測(cè)技術(shù)是一套自動(dòng)化程度很高的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，是在每臺(tái)機(jī)器人末端的法蘭盤處安裝一個(gè)測(cè)量傳感器，用于獲取被測(cè)對(duì)象的圖像信息。該系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，硬件部分包括5個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人、校準(zhǔn)球模塊、激光傳感器探頭、控制柜等，軟件部分包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、測(cè)量控制軟件、數(shù)據(jù)管理與分析等，如圖3所示。

圖3 智能在線檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 智能在線檢測(cè)設(shè)備工作原理

智能在線檢測(cè)技術(shù)使用的Helix探頭是Perceptron公司最新研制的能提供完整尺寸測(cè)量控制的3D掃描傳感器，設(shè)備工作測(cè)量的掃描區(qū)域以點(diǎn)云形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過相關(guān)算法可導(dǎo)出具有一定特色的形狀，如圖4所示。

圖4 掃描區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3 智能在線檢測(cè)設(shè)備參數(shù)及設(shè)備選型對(duì)比

智能在線檢測(cè)系統(tǒng)工作站設(shè)備型號(hào)及參數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能、生產(chǎn)線節(jié)拍、測(cè)量周期、工作區(qū)域及溫度統(tǒng)籌規(guī)劃，具體設(shè)備參數(shù)及選型如下：

主焊線生產(chǎn)節(jié)拍(C/T)為50.7 s，測(cè)量周期為48 s，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率為93%；

運(yùn)行環(huán)境：溫度為5～45 ℃，濕度為10%～90%；

測(cè)量傳感器Helix參數(shù)：測(cè)量精度為±0.05 mm，測(cè)量時(shí)間為2.5 s/點(diǎn)，質(zhì)量為1.37 kg；

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)：六自由度的HH030L現(xiàn)代重工機(jī)器人，重復(fù)定位精度為±0.08 mm，工作半徑為2 535 mm。

Helix檢測(cè)設(shè)備在保障測(cè)量數(shù)據(jù)可靠的前提下，通過掃描方式可使機(jī)器人以更少測(cè)量姿勢(shì)測(cè)量更多的點(diǎn)或區(qū)域，很大程度上提高了其檢測(cè)效率。根據(jù)之前的測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在測(cè)量白車身側(cè)圍上同等數(shù)量點(diǎn)的情況下，Helix 用時(shí)47 s，機(jī)器人變換11個(gè)測(cè)量姿勢(shì)，而上一代產(chǎn)品Flexicam則用時(shí)66 s，機(jī)器人變換19個(gè)測(cè)量姿勢(shì)，如圖5所示。

圖5 Helix與Flexicam 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

1.4 智能在線檢測(cè)設(shè)備溫度補(bǔ)償

智能在線檢測(cè)設(shè)備固定在機(jī)器人末端，其測(cè)量精度受機(jī)器人精度影響。機(jī)器人在測(cè)量過程中，由于所處的車間環(huán)境溫度變化以及機(jī)器人各個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)過程中電機(jī)自身發(fā)熱等因素，最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)一定程度的偏差。因此在工作站中的測(cè)量機(jī)器人附近安裝校準(zhǔn)球來，補(bǔ)償溫度引起的測(cè)量誤差。校準(zhǔn)球模塊如圖6所示，校準(zhǔn)球主要采用陶瓷材質(zhì)，對(duì)周邊溫度變化不敏感，溫度對(duì)其影響較小。

圖6 校準(zhǔn)球模塊

增加溫度補(bǔ)償功能后，測(cè)量精度得到很大的改善。溫度補(bǔ)償系統(tǒng)使用前最大測(cè)量值達(dá)到0.65 mm，使用后其測(cè)量值減小至0.2 mm。

1.5 智能在線檢測(cè)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作過程

智能在線測(cè)量設(shè)備處于焊裝車間自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備層，檢測(cè)工作是在車間控制層PLC和車間管理層MES協(xié)同控制完成的。車身在STL作用下移動(dòng)到在線檢測(cè)站，在定位夾具作用下精確定位，機(jī)器人接到工作開始信號(hào)后按照設(shè)定好的工作軌跡進(jìn)行檢測(cè)，其運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 智能在線檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行流程

系統(tǒng)運(yùn)行流程包括工位工作、主要工作和校準(zhǔn)球測(cè)量3個(gè)部分：

(1)工位工作主要是指測(cè)量車身前的準(zhǔn)備工作。車身在線體PLC的控制下進(jìn)入測(cè)量工位，從PLC獲取該車身信息(包括車型的SEQ NO、BODY NO、車型以及臺(tái)車信息)后，向PLC發(fā)送接收車身信息完成信號(hào)。

(2)主要工作是指測(cè)量車身所需的工作，是執(zhí)行開始測(cè)量周期、匹配PLC和MES信息以及將測(cè)量結(jié)果輸出文件等的作業(yè)。PLC獲取的車身信息與MES車型序列進(jìn)行比對(duì)，如果匹配結(jié)果一致則發(fā)出測(cè)量允許的信號(hào)，檢測(cè)站開始測(cè)量；如果不一致則發(fā)出車型讀取錯(cuò)誤信號(hào)，同時(shí)再次發(fā)出車型信號(hào)進(jìn)行核實(shí)。測(cè)量開始，檢測(cè)站測(cè)量計(jì)算機(jī)與機(jī)器人交互信號(hào)完成測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果顯示并保存。

(3)校準(zhǔn)球測(cè)量主要是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行的溫度補(bǔ)償?shù)男Ｕ?。在車身信息測(cè)量完成后，開始對(duì)機(jī)器人周邊的固定校準(zhǔn)球測(cè)量，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人校準(zhǔn)的目的。

測(cè)量計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量車身數(shù)據(jù)和機(jī)器人校準(zhǔn)結(jié)果綜合得出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。

2 白車身精度管理

2.1 白車身關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)分布及公差管理

智能在線檢測(cè)設(shè)備主要測(cè)量白車身的定位孔、裝配孔、面、邊等主要裝配特征。某焊裝車間#31規(guī)劃年產(chǎn)能30萬輛，生產(chǎn)節(jié)拍為71臺(tái)/h，根據(jù)后續(xù)規(guī)劃引入新車型考慮到的生產(chǎn)節(jié)拍問題，機(jī)器人完成全部測(cè)量動(dòng)作時(shí)間不得超過50.7 s。機(jī)器人每點(diǎn)測(cè)量時(shí)間平均為2.5 s，則在生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)可測(cè)量大約102個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

根據(jù)裝配特征對(duì)后續(xù)總裝車間裝配性能的影響及重要性，經(jīng)計(jì)算機(jī)三維仿真模擬及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，確定A車型共98個(gè)測(cè)量點(diǎn)，具體分布如圖8所示，所選測(cè)量區(qū)域包括了白車身前部、中部及后部范圍內(nèi)區(qū)域，如圖9所示。

圖8 A車型關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)分布

圖9 A車型測(cè)量區(qū)域分布

智能在線檢測(cè)設(shè)備中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行公差值的管理，參照三坐標(biāo)管理基準(zhǔn)及測(cè)點(diǎn)對(duì)后續(xù)總裝裝配影響重要性，將測(cè)量的裝配特征進(jìn)行精度等級(jí)劃分管理，并設(shè)置不同的公差范圍，如表1所示。對(duì)每個(gè)點(diǎn)設(shè)定不同公差范圍，對(duì)于超差的點(diǎn)，智能在線檢測(cè)設(shè)備設(shè)置有自動(dòng)報(bào)警功能，會(huì)將超差點(diǎn)的具體偏差信息以郵件或手機(jī)短信的形式發(fā)送到管理者。生產(chǎn)技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理。

表1 A車型測(cè)點(diǎn)公差值管理

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能

智能在線檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)分析功能是基于統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)開發(fā)，可以提供完整的白車身數(shù)據(jù)的帕累托圖(Pareto)，包括測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)最大/小偏差值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差等，測(cè)量系統(tǒng)還能提供車身尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程的控制圖以及測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的直方圖，如圖10所示。對(duì)生產(chǎn)的白車身進(jìn)行尺寸評(píng)價(jià)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的制造誤差采用3種不同底色的點(diǎn)來反映，綠色是公差內(nèi)的點(diǎn)，淡綠色是警告的點(diǎn)，紅色是超差的點(diǎn)。

在生產(chǎn)過程中，通過對(duì)以往生產(chǎn)白車身數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析能夠改進(jìn)和提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝，有利于企業(yè)成本和效益的提升。因此要求在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)以及將生產(chǎn)過程中產(chǎn)品參數(shù)，如車身VIN號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)總量、合格率以及各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果等，從而有利于企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量把控，為企業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考和產(chǎn)品改進(jìn)依據(jù)。

圖10 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)直方圖

3 實(shí)施效果

3.1 環(huán)境效益提高

傳統(tǒng)的精度檢測(cè)方法主要是三坐標(biāo)離線檢測(cè)，具體做法根據(jù)三坐標(biāo)的測(cè)量周期，將生產(chǎn)完的白車身推進(jìn)三坐標(biāo)室進(jìn)行離線精度測(cè)量，周期長(zhǎng)、效率低且離散的測(cè)量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行白車身精度趨勢(shì)預(yù)測(cè)與判斷。

對(duì)汽車制造企業(yè)而言，智能在線實(shí)時(shí)精度檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)白車身精度質(zhì)量的實(shí)時(shí)把控，減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了企業(yè)的人力成本，改善了現(xiàn)場(chǎng)工作條件。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益提高

在線精度檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，有效降低了精度異常引起的問題，減少因制造不良引起的后期維修費(fèi)用和人工費(fèi)用。

在A車型生產(chǎn)運(yùn)營過程中，智能在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警提示，生產(chǎn)技術(shù)人員查詢報(bào)警具體信息后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)提示左側(cè)圍TOOL’G點(diǎn)“H”方向超差，技術(shù)人員進(jìn)入生產(chǎn)線發(fā)現(xiàn)該車身定位孔已發(fā)生變形，圖11為側(cè)圍定位孔測(cè)量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)側(cè)圍變形圖片。技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是車身側(cè)圍總成臺(tái)車定位銷和該定位孔發(fā)生輕微干涉所致，根據(jù)變形的車身號(hào)，利用智能在線檢測(cè)臺(tái)車追溯查詢功能，最后鎖定7號(hào)臺(tái)車(左側(cè)圍生產(chǎn)線A車型對(duì)應(yīng)共8個(gè)總成臺(tái)車)?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)定位銷偏差方向?qū)ο鄳?yīng)的夾具進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，改善效果良好，后續(xù)無變形車輛產(chǎn)生，如圖12所示。

圖11 側(cè)圍定位孔測(cè)量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)側(cè)圍變形圖片

圖12 數(shù)據(jù)夾具調(diào)整后側(cè)圍定位孔數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.3 自動(dòng)化水平提高

由于該系統(tǒng)涉及檢測(cè)傳感器、電氣、機(jī)器人、機(jī)械等多領(lǐng)域，其復(fù)雜的系統(tǒng)以及設(shè)備的高效協(xié)同能力都有待優(yōu)化提升。機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、檢測(cè)時(shí)非接觸、效率和精度高、實(shí)時(shí)性好、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)很多自動(dòng)化行業(yè)的檢測(cè)要求，對(duì)于那些需要大量檢測(cè)且檢測(cè)周期較長(zhǎng)、檢測(cè)效率低下的工作，完全可以由在線檢測(cè)系統(tǒng)取代，這樣不僅提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平而且提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)及檢測(cè)效率。

4 結(jié)論

在整車制造廠對(duì)白車身進(jìn)行實(shí)時(shí)的精度檢測(cè)是十分必要的。智能在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、有效地對(duì)白車身精度進(jìn)行檢測(cè)，在保證測(cè)量穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠滿足焊裝車間的生產(chǎn)速率(UPH)和適應(yīng)不同車型的柔性化生產(chǎn)需求，從而能夠高效率、高質(zhì)量、低成本地實(shí)現(xiàn)白車身精度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)工廠更趨于高效率、智能化、低次品率的生產(chǎn)。通過對(duì)以往生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，能夠?qū)崟r(shí)地改進(jìn)和提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝。

整車制造廠以精益管理為目標(biāo)，從各個(gè)方面力求做到“精”“益”。大數(shù)據(jù)帶來的信息技術(shù)革命，成為工業(yè)生態(tài)環(huán)境發(fā)展的命脈。智能化設(shè)備有效的使用、管理和維護(hù)，給企業(yè)帶來了更快的速度、更高的效率和更敏銳的洞察力，同時(shí)也給企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，更重要的是獲得了社會(huì)的認(rèn)可。