在汽車工業(yè)中，白車身總成的車身功能尺寸是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，必須嚴(yán)格控制。隨著工業(yè)機(jī)器人在汽車制造中的成功使用，使得機(jī)器人和激光檢測技術(shù)的結(jié)合構(gòu)建了一個機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)。
對于汽車白車身這樣的大批量制造的大型產(chǎn)品，怎樣有效地控制白車身的車身尺寸從而滿足顧客的要求，一直是奇瑞公司白車身質(zhì)量控制的追求。自從奇瑞公司從又快又好的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變到又好又快的發(fā)展戰(zhàn)略,在有效地控制了白車身強(qiáng)度質(zhì)量同時, 車身功能尺寸質(zhì)量的控制被提到了空前的高度上,而機(jī)器人激光檢測技術(shù)的運(yùn)用為奇瑞公司白車身尺寸質(zhì)量控制提供了保證。
檢測技術(shù)的發(fā)展
從檢具的運(yùn)用，到三坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用，到目前機(jī)器人激光檢測設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用，車身尺寸檢測技術(shù)就呈現(xiàn)出非接觸、高智能、高精度和高效率的發(fā)展趨勢。
自以光學(xué)坐標(biāo)測量機(jī)為代表的激光測量技術(shù)的出現(xiàn)，使得汽車車身制造尺寸的100%在線檢測成為現(xiàn)實，而機(jī)器人激光在線檢測技術(shù)就能使車身焊裝過程中各種故障的檢測更為有效、快捷和準(zhǔn)確，而且還為監(jiān)控工藝裝備的工作狀況、預(yù)報其可能故障提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)。
機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)工作原理
按照激光檢測系統(tǒng)承載方式可以分為固定式激光檢測系統(tǒng)和機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)。固定式激光檢測系統(tǒng)和機(jī)器人檢測系統(tǒng)原理大致相同,固定式最大的優(yōu)勢是可以檢測到機(jī)器人手臂無法達(dá)到的部位。下面，將著重介紹機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)。
1. 機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)組成部分
機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)由3部分組成，即一個機(jī)器人、一套激光檢測系統(tǒng)及一個終端數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。圖1為機(jī)器人工作示意圖。
圖1 機(jī)器人正在工作
激光檢測系統(tǒng)為一個非接觸式三維視覺傳感器裝置組成，它由2個在45°方向?qū)ΨQ配置的激光傳感器和一個位于中心線上的CCD攝像機(jī)組成。激光傳感器用來檢測被測工件型面上某一點在空間的位置；攝像機(jī)用于確定工件型面上1個孔的大小和形狀（見圖2）。一般來說，3點即可確定1個圓孔,但是在檢測時為了保證孔的大小形狀可以多選取一些點,這里我們可以選取30點。對于不規(guī)則的物體通過尋找中心,特征邊或角從而確定物體的形狀。
圖2左 激光檢測示意圖
圖2 右 激光檢測示意圖
終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由PC計算機(jī)、交換機(jī)及數(shù)據(jù)處理軟件組成。對于傳輸回來的白車身測點坐標(biāo)數(shù)據(jù),使用VECTOR數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行車身坐標(biāo)偏差處理。圖3為終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
圖3 終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
2. 白車身測點坐標(biāo)的計算
當(dāng)機(jī)器人開始測量后，按預(yù)先設(shè)定的測量路徑帶動視覺傳感器運(yùn)動，依次使測點進(jìn)入到傳感器的測量區(qū)域內(nèi)，由視覺傳感器和測量主機(jī)完成對圓孔邊緣測量。
圖4 機(jī)器人坐標(biāo)測量系統(tǒng)圖
如圖4所示，機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)中存在4個坐標(biāo)系。其中包括，與機(jī)器人相關(guān)的2個坐標(biāo)系，安裝機(jī)器人時確定的基坐標(biāo)系統(tǒng)Ob－XbYbZb和機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Oh－XhYhZh，還有車身坐標(biāo)系Ow－XwYwZw和視覺傳感器測量坐標(biāo)系Oc－XcYcZc。測量的結(jié)果即為測點P在車身坐標(biāo)Ow－XwYwZw下的坐標(biāo)PW。從圖4可以看出
PW=Z×B×X×PC (1)
式中：PC為被測點P在視覺傳感器測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；X為機(jī)器人手眼關(guān)系，即機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與視覺傳感器測量坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系；B為機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系；Z為機(jī)器人基坐標(biāo)系與白車身坐標(biāo)系之間的位置變換關(guān)系。
式(1)中，由于視覺傳感器與機(jī)器人末端關(guān)節(jié)剛性連接，測量過程中兩者相對位置不變，所以X在測量中恒定；同樣，機(jī)器人基坐標(biāo)系相對于白車身坐標(biāo)系的位置關(guān)系也是不變的，即值恒定，因此，通過現(xiàn)場標(biāo)定可以將X和Z在測量前計算出。B可以由機(jī)器人的正向運(yùn)動學(xué)模型及各個關(guān)節(jié)變量值獲得。通過以上分析，只要得到檢測點在視覺探頭傳感器測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PC，根據(jù)式(1)，即可計算出P點在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PW。
3. 現(xiàn)場標(biāo)定
目前，對攝像機(jī)和激光視覺傳感器的標(biāo)定進(jìn)行了大量的研究，并建立了多種成熟的算法,這里我們采用分步求取獲得。
圖5 分步法標(biāo)定示意圖
假如機(jī)器人分別從不同角度對某一點檢測2次，見圖5。則存在姿態(tài)1為
1/Z×PW1=B1×X×PCl (2)
姿態(tài)2為
1/Z×PW2=B2×X×PC2 (3)
式中：PW1和PW2為同一個檢測點在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。因此PW1＝PW2，即
B1×X×PCl=B2×X×PC2 (4)
式中：B1和B2根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動模型是已知的；PCl和PC2是視覺傳感器的測量結(jié)果。顯然，如果控制點數(shù)大于3 個，且控制點不在同一條直線上，X就可以計算出，再根據(jù)式(1)，可計算出Z。
機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)運(yùn)用
下面介紹的機(jī)器人檢測主要側(cè)重于白車身，四門兩蓋的檢測同樣可以使用。不同之處在于兩者載具，前者使用滑撬，后者需使用專用的吊架。
機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)實際運(yùn)用中涉及到測點選擇,檢測用于比較的白車身“標(biāo)準(zhǔn)件”選用，機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)的校正功能及檢測系統(tǒng)的柔性化設(shè)計，以下將從以下方面一一闡述。
1. 白車身測點的布置原則
在車身生產(chǎn)過程中測量的目的是確定過程控制和不斷改進(jìn)，面向車身工藝過程穩(wěn)定性控制、功能控制以及焊接過程中的故障診斷。按照測點功能的不同，可以將常見的車身測點分成3類：主要定位點檢測點、關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點和關(guān)鍵控制特征檢測點。
（1）主要定位點檢測點布置。車身的生產(chǎn)過程中使用大量工裝夾具來完成對板件的定位并夾緊，確保板件在每次焊接時空間狀態(tài)保持一致，以保證車身尺寸。但是在生產(chǎn)過程中，定位銷及定位塊的磨損及松動導(dǎo)致定位基準(zhǔn)發(fā)生變化，影響車身的尺寸。
主要定位檢測點能夠顯著反映其定位狀態(tài)，這些點的設(shè)立將有助于對由于定位或基準(zhǔn)位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生的制造偏差進(jìn)行識別和診斷,例如:前/后縱梁定位孔直接影響整個車身骨架的尺寸。#p#分頁標(biāo)題#e#
（2）關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點的布置。轎車外觀形象是否符合人們的審美要求將最先確立顧客對轎車的滿意程度。關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點最先要保證的就是影響轎車外觀形象的關(guān)鍵部位的尺寸要求，具體地講就是影響轎車整車外部型面的配合間隙及配合平整度要求。車身關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點布置要根據(jù)整車設(shè)計時的配合規(guī)范來進(jìn)行。一般來說，這些關(guān)鍵特征檢測點主要分布在車身的以下安裝點，如左/右前門安裝孔、左/右后門安裝孔、發(fā)蓋鉸鏈安裝孔及后行李箱艙蓋鉸鏈安裝孔。
（3）關(guān)鍵控制特征檢測點的布置。關(guān)鍵控制特征點是白車身檢測點中數(shù)量占絕對多數(shù)的一類點，因此，它們的合理分布可以有效地減少采樣點數(shù)，而且能正確反映工件在焊裝過程中的狀態(tài)，以便進(jìn)行夾具故障識別與診斷。對每一個關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點要相應(yīng)地布置多少個關(guān)鍵控制特征檢測點，以及這些點的位置一般位于工裝難以準(zhǔn)確定位的板件上等。這些點的確定主要依靠經(jīng)驗積累，而且需要對生產(chǎn)實際作出分析了解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裝配誤差積累的情況來確定它們的分布，對于累積裝配偏差大而且容易超差的區(qū)域，要多布置一些關(guān)鍵控制特征檢測點。
2. 機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)偏差的校正
機(jī)器人激光測量采用比較測量的方式，故需要準(zhǔn)備一個用于“置零”的標(biāo)準(zhǔn)車身進(jìn)行測量比較。同時它不同于三坐標(biāo)測量機(jī)“標(biāo)尺”般的精準(zhǔn),機(jī)器人測量系統(tǒng)本身有可能存在誤差,再加上與其比較的標(biāo)準(zhǔn)件本身存在誤差,如果發(fā)生積累,將直接影響對故障判定,所以必須對以上誤差進(jìn)行消除。
（1）機(jī)器人自校正功能。機(jī)器人進(jìn)行白車身的自動焊接時，由于機(jī)器人運(yùn)行產(chǎn)生熱量易影響到機(jī)器人的運(yùn)行路線精度，而機(jī)器人本身坐標(biāo)系產(chǎn)生的微小偏差將直接影響到測點在車身的坐標(biāo)系，因此每臺探測機(jī)器人細(xì)微偏差靠現(xiàn)場溫度補(bǔ)償小球在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)偏差量來自動補(bǔ)償。
可編程控制程序（PLC）可以設(shè)定機(jī)器人檢測N臺份白車身骨架時對小球進(jìn)行檢測,通過小球的偏差不斷調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。考慮到金屬材料的熱變量,這里采用受熱基本上無變化的碳纖維材料的小球。
(2)標(biāo)準(zhǔn)車身的校正功能。事實上對于沖壓件、焊接件這類性質(zhì)的工件，不可能制成一個很精確的標(biāo)準(zhǔn)車身,所以一般需對激光測量控制系統(tǒng)輸入偏差數(shù)據(jù)作為校正值。因此，可以將主模型進(jìn)行三坐標(biāo)檢測,兩者比較后給激光測量控制系統(tǒng)一個偏差值做為校正值。
3. 車身控制點的循環(huán)檢測
從成本考慮， 不可能使用過多的機(jī)器人進(jìn)行檢測，由于生產(chǎn)節(jié)拍限制,單臺機(jī)器人測不可能在單次檢測中做到全檢，但是可以對區(qū)域內(nèi)所有的檢測點分批次多次檢測,做到循環(huán)檢測，這樣不但可以對所有點做到100%檢測，還可以做到隨機(jī)抽樣的效果，更容易預(yù)測到故障發(fā)展趨勢，對于關(guān)鍵控制特征檢測點偏差數(shù)據(jù)也可以采用SPC分析出具體的故障模式。
4. 檢測數(shù)據(jù)處理分析及預(yù)警系統(tǒng)
數(shù)據(jù)分析對下一步的生產(chǎn)有重要作用?？梢愿鶕?jù)對已經(jīng)檢測尺寸的總體分析了解焊接過程中各環(huán)節(jié)的精度情況，可以從誤差趨勢中預(yù)測下一步的焊接精度，以便及時調(diào)整焊接工藝，防止不合格品的出現(xiàn)。機(jī)器人檢測到數(shù)據(jù)后使用VECTOR軟件進(jìn)行分析得出該車在車身坐標(biāo)系中的實際測量差值為F1、F2、F3……Fn，然后將該車身在實測點的相對誤差值描繪在同一坐標(biāo)下，就可以了解車身相關(guān)的加工工藝的精度情況。
根據(jù)現(xiàn)場機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，以白車身上測點的采集數(shù)據(jù)為例，說明數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析功能中的作用。抽取連續(xù)多點的測量數(shù)據(jù)，其理論值從三坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中調(diào)出“標(biāo)準(zhǔn)車”誤差數(shù)據(jù)。根據(jù)該車身在全部測點的誤差，用橫坐標(biāo)表示測點編號，縱坐標(biāo)表示相對理論值的誤差，繪成曲線圖。根據(jù)誤差線相對允許誤差范圍的偏離程度，可以分析加工器具的磨損狀況，若發(fā)現(xiàn)偏差持續(xù)很大，則系統(tǒng)終端計算機(jī)給輸出相關(guān)指令，系統(tǒng)外置報警系統(tǒng)開始報警。
5. 機(jī)器人激光測量系統(tǒng)的柔性化發(fā)展
現(xiàn)代的汽車生產(chǎn)汽車企業(yè)，考慮到一線一車型成本較高，一般都多車性共線生產(chǎn)，機(jī)器人激光檢測同樣存在相同問題，不可能檢測單一車型，因此在規(guī)劃生產(chǎn)時盡量考慮到，機(jī)器人焊接及機(jī)器人激光檢測柔性化發(fā)展。
利用給滑橇 (存儲端) 安裝存儲有車型轉(zhuǎn)換程序的讀寫頭及主線工位(讀取端)上安裝可以讀取車型轉(zhuǎn)換程序的讀寫頭來給可編程控制器信號，控制器接收到信號后給機(jī)器人信號實現(xiàn)不同車型之間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到共線生產(chǎn)是一種比較理想的生產(chǎn)組織方式。同樣，機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)也可以利用其生產(chǎn)組織方式達(dá)到車型之間切換檢測的目的（見圖6）。
圖6 檢測柔性化
結(jié)論
相對于檢具和三坐標(biāo)測量機(jī)檢測功用，可以說機(jī)器人激光檢測系統(tǒng)完全可以取代之。可以采用輔助支架的方式，使用一臺機(jī)器人激光測量系統(tǒng)，把需要測量的車身總成件放置到輔助支架上，就可以實現(xiàn)激光測量。激光測量系統(tǒng)的高智能、高精度和高效率的優(yōu)點將是白車身總成和白車身上的分總成的測量技術(shù)的發(fā)展方向，必然是激光測量系統(tǒng)的運(yùn)用代替大量的專用檢具和三坐標(biāo)測量機(jī)的測量趨勢。
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