張媛媛

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201803)

1 白車身尺寸控制現(xiàn)狀

白車身尺寸的過(guò)程監(jiān)控作為尺寸工程工作中重要的環(huán)節(jié), 是整車質(zhì)量控制與管理的基礎(chǔ)，對(duì)整車質(zhì)量有著十分重要的作用，而在整車質(zhì)量問(wèn)題中由于車身問(wèn)題引起的占比40%以上?；仡?0年代，美國(guó)三大汽車公司(GM,Ford,Chrysler)僅用了三年時(shí)間就扭轉(zhuǎn)了美國(guó)車市局面，奪回了大部分日系汽車的在美份額，其中重要的原因之一是美系車企將白車身制造尺寸波動(dòng)水平控制在2 mm內(nèi)。目前各大汽車廠商車身尺寸控制主要的方法有離線測(cè)量、在線激光兩種方式。離線測(cè)量方法主要是三坐標(biāo)測(cè)量，該測(cè)量方法需要將大型的車身零件送到測(cè)量室，且三坐標(biāo)的數(shù)據(jù)為點(diǎn)狀離散數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控車身穩(wěn)定性；在線激光是目前各大汽車廠商熱衷的測(cè)量方法，該方法快速高效但是其精度受到機(jī)器人的影響很大，一個(gè)臂展是3.1 m的機(jī)器人連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)后工具中心點(diǎn)偏移0.5 mm，因此在線測(cè)量精度根本無(wú)法得到保證，需要定期和離線測(cè)量進(jìn)行精度對(duì)比。針對(duì)上述車身尺寸監(jiān)控方式的缺點(diǎn)，集合離線測(cè)量的高精度和高效率，本文提出了車身在線絕對(duì)測(cè)量的概念。

2 車身在線尺寸絕對(duì)測(cè)量技術(shù)

車身尺寸要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和絕對(duì)測(cè)量，需要保證工位在生產(chǎn)線中，目前車身在線激光測(cè)量是車身制造生產(chǎn)線中的一個(gè)末端監(jiān)控工位，采用的測(cè)量手段必須不受測(cè)量載體的影響，因此經(jīng)過(guò)考察研究決定采用光學(xué)掃描設(shè)備作為測(cè)量的設(shè)備。兩個(gè)機(jī)器人攜帶拍照幅面達(dá)到1 m×0.75 m×0.75 m的光學(xué)掃描測(cè)頭，整套測(cè)量系統(tǒng)精度不受機(jī)器人影響，測(cè)量精度可達(dá)到0.1 mm。在測(cè)量領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)了高效率和高精度結(jié)合的在線測(cè)量工位。車身在線絕對(duì)測(cè)量工位主要由ATOS測(cè)量機(jī)、FRAME測(cè)量輔助框架、減震平臺(tái)、支撐夾具、進(jìn)出工位輥床、和工位圍欄6部分組成[1]：

圖1 Atline測(cè)量系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of atline system

3 測(cè)量點(diǎn)云提取及計(jì)算

3.1 點(diǎn)云的提取

整個(gè)系統(tǒng)配備了兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人，由機(jī)器人攜帶掃描測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量機(jī)是絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要功能是獲取被測(cè)零件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量機(jī)主要由縱橫四根測(cè)量導(dǎo)軌，兩組機(jī)械手臂和兩個(gè)測(cè)量頭組成，分別完成左右半個(gè)車身的測(cè)量工作，兩個(gè)測(cè)頭獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至同一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)在同一車身坐標(biāo)下進(jìn)行測(cè)量并評(píng)價(jià)。

3.2 數(shù)據(jù)的計(jì)算

在光學(xué)測(cè)量中測(cè)量頭能掃描到的區(qū)域是從兩個(gè)相機(jī)里能看到的區(qū)域，因此在光學(xué)測(cè)量結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多邊、多角、多孔或者包含其他三維外形的零件時(shí)，由于測(cè)量面幅的大小導(dǎo)致一張照片不能完全數(shù)字化處理整個(gè)物體，而這些單獨(dú)的測(cè)量須經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換處理，在測(cè)量數(shù)據(jù)里生成整體表面，并且定向正確，而對(duì)于轉(zhuǎn)換處理，將使用到參考點(diǎn)。FRAME測(cè)量輔助框架主要功能是用來(lái)粘貼拍攝過(guò)程中用來(lái)照片拼接的參考點(diǎn)，其特點(diǎn)是無(wú)需像離線設(shè)備一樣每次重新放置參考點(diǎn)。同時(shí)由于在工位中完全靜止，所以無(wú)需每臺(tái)車都進(jìn)行參考點(diǎn)的拍攝，只需定期進(jìn)行攝影測(cè)量即可，大大提升了測(cè)量效率，并實(shí)現(xiàn)了工位的全自動(dòng)化。

圖2 FRAME支架示意圖Fig.2 FRAME bracket diagram

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用

基于上述研究，建立了一套基于光學(xué)掃描的在線絕對(duì)全域測(cè)量系統(tǒng)。分別利用目前流行的方法驗(yàn)證了該系統(tǒng)的測(cè)量效率、魯棒性和測(cè)量精度。

該系統(tǒng)應(yīng)用于某工廠的白車身在線檢測(cè)工位，能夠在15分鐘內(nèi)完成對(duì)一個(gè)白車身的掃描工作，并且能夠自動(dòng)呈現(xiàn)該車身的點(diǎn)云尺寸狀態(tài)，能夠根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警和預(yù)警的工作，并且能夠自動(dòng)和任一指定的車輛進(jìn)行點(diǎn)云的對(duì)比，迅速得出車身的尺寸變化。

該系統(tǒng)的半動(dòng)態(tài)重復(fù)性測(cè)試達(dá)到99%的特征方向Range不超過(guò)0.25 mm，動(dòng)態(tài)重復(fù)精度可達(dá)到100%特征Range小于0.4 mm。

整套系統(tǒng)的絕對(duì)精度不依賴于機(jī)器人的精度，與離線的國(guó)際先進(jìn)的CMS系統(tǒng)的精度比較可以達(dá)到0.1 mm以內(nèi)。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證了整套的速度、穩(wěn)定性和絕對(duì)精度都在目前的在線測(cè)量系統(tǒng)中處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

5 在線絕對(duì)全域測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

5.1 全域和全生命周期質(zhì)量控制

在線絕對(duì)測(cè)量技術(shù)能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程的全域和全生命周期的質(zhì)量進(jìn)行管控。一般產(chǎn)品質(zhì)量管理按產(chǎn)品的生命周期包含產(chǎn)品質(zhì)量前期、過(guò)程質(zhì)量管理和質(zhì)量追溯分析三個(gè)質(zhì)量管理職能。車身在線絕對(duì)全域測(cè)量的功能涵蓋了以上三項(xiàng)質(zhì)量管理工作職能。在車身在線絕對(duì)測(cè)量工位規(guī)劃階段，從車身產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和工藝要求角度分析質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，定義車身尺寸測(cè)量方案包含車身全尺寸評(píng)價(jià)和批量監(jiān)控測(cè)量方案。測(cè)量的全點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描和保存，大大提高了質(zhì)量問(wèn)題追溯分析的工作效率。測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)入尺寸信息智能系統(tǒng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析按量預(yù)警和報(bào)警規(guī)則及時(shí)發(fā)出信息，必要時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)停止功能，能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，分析后形成報(bào)表，為后續(xù)工作提供參考數(shù)據(jù)與決策支持。

5.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用

絕對(duì)全域測(cè)量能夠?qū)崟r(shí)的掃描車身的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行虛擬裝配，及時(shí)的指導(dǎo)生產(chǎn)的裝配工藝。虛擬裝配是指在軟件中再現(xiàn)實(shí)際的拼裝過(guò)程，建立相應(yīng)的夾具等模型，計(jì)算得出最后的裝配偏差，分析影響裝配質(zhì)量的主要尺寸。通過(guò)將車身的外形進(jìn)行數(shù)字化、智能化，利用測(cè)量的全尺寸特點(diǎn)進(jìn)行車身的虛擬裝配，能夠?qū)嚿硌b配效果進(jìn)行預(yù)判，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)裝配工藝，達(dá)到最佳的裝配效果。達(dá)到降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、提高生產(chǎn)效率、降低成本的目的。

利用測(cè)量的點(diǎn)云大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬樣架分析，為用戶部門提供虛擬框型面樣架的數(shù)據(jù)，從而替代實(shí)體樣架，節(jié)省了車型前期的開發(fā)費(fèi)用。

圖4 虛擬樣架Fig.4 Virtual fixture

6 結(jié)束語(yǔ)

車身在線絕對(duì)全域測(cè)量能同時(shí)滿足產(chǎn)品質(zhì)量管理、過(guò)程質(zhì)量管理和質(zhì)量追溯分析的三重管理功能?；谠摐y(cè)量建立的一套車身質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控管理方法，通過(guò)將車身的外形進(jìn)行數(shù)字化、智能化，對(duì)測(cè)量大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，并采用機(jī)器自學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)際調(diào)整優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，不僅對(duì)車身質(zhì)量的控制界限做了清楚準(zhǔn)確的限定，而且還能夠?qū)嚿碣|(zhì)量的變化進(jìn)行預(yù)判，做到防患于未然。徹底改變了車身質(zhì)量監(jiān)控行業(yè)準(zhǔn)確率低、人工成本高、項(xiàng)目周期長(zhǎng)的狀況，對(duì)促進(jìn)我國(guó)汽車行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量監(jiān)控，提高我國(guó)車身的智能制造水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有很強(qiáng)的借鑒價(jià)值，為我國(guó)汽車制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了強(qiáng)有力的助推動(dòng)力。