基于機器人的在線檢測技術在車身焊接制造中的應用

冉啟洪 湯艷剛 齊瑞霞 張朝霞

【摘 要】隨著消費者對汽車質量的要求越來越高，汽車制造廠商開始對汽車制造的質量越來越重視。白車身的精度是汽車制造過程較關鍵的因素，文章介紹了基于機器人的車身焊接質量在線檢測技術，闡述了系統的組成、檢測原理及流程，以及在線檢測的優點等，并通過實際檢測對象驗證了在線監測技術的可行性。在線檢測技術在車身焊接生產線中的應用，能夠提高白車身焊接質量的穩定性，可實現100%在線檢測和實時監測，為測點分布優化和工藝改進提供了依據，符合現代化制造的要求。

【關鍵詞】白車身；在線檢測技術；實時監測；誤差分析

【中圖分類號】U463.82 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）08-0037-04

白車身（Body-in-White，BIW）通常是指尚未裝配門蓋和發動機罩的未涂裝的車身基本骨架，有時也泛指尚未進入涂裝和內飾件總裝階段之前的車身。它是轎車的動力系統、行駛系統、電氣系統、內外裝飾等轎車子系統的載體，是轎車動力性、舒適性、平順性等轎車性能的載體，是轎車外在形象、外觀質量的載體[1]。隨著國內汽車市場競爭的日趨激烈，白車身的尺寸要求變得越來越高，在擴大生產規模和加快生產節拍的同時，如何控制好車身尺寸是國內各汽車廠家面臨的挑戰[2-3]。目前，國內許多的汽車廠家對于整車的外觀質量的評價和控制采取了一些策略，一種方法是采用AUDIT打分、PDI客戶評價等主管方法進行抽樣評價，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的質量；另一種方法是汽車廠家，如“一汽”“東風”“奇瑞”等多采用檢驗樣架和三坐標測量系統等對車身的尺寸進行檢測[5]，由于其具有較高的精度、測量結果直觀、可讀性較高等優點，使其廣泛應用于車身焊接質量進行抽樣離線的測量和監測中，但由于其測量時間較長，需抽樣離線檢測，反應速度慢等缺點使得其測量效率低、耗時長，不能對焊接質量做到實時監控，逐漸不能滿足現代汽車的生產節奏。

某國產汽車品牌的白車身采用了焊接自動化生產線，具有自動化率高、焊接質量穩定等優點，白車身的零部件、各分總成等均采用自動化夾具和機器人自動完成焊接，并在生產線的末端工位布置有機器人激光在線檢測系統，能夠實現對白車身焊接質量的100%實時在線檢測和很好地控制白車身焊接質量的穩定性。

1 在線檢測系統的組成

該檢測系統為全自動檢測系統，完成對系統的調試和機器人的示教后，整個工作過程為自動完成對白車身關鍵特征點的信號采集。系統包括硬件和軟件2個部分，其中硬件部分由4臺Kawasaki系列工業機器人、4臺Perceptron系列線結構光視覺傳感器、測量控制柜、機器人控制柜、測量計算機、溫度補償標準球（1臺機器人對應2個標準球，左右各1個，一高一低）和安全光柵等組成；軟件部分由測量控制軟件、溫度補償軟件和數據查詢與分析軟件等組成。4臺檢測機器人均勻地布置在生產線左右兩側。其具體布局與組成如圖1所示。

1.1 系統性能參數

該在線檢測系統選用的視覺傳感器是基于單攝像機的Perceptron系列線結構光視覺傳感器，傳感器安裝在工業機器人末端，工作時由機器人帶動傳感器運動，實現對被測特征的測量，傳感器的結構緊湊，測量機器人工作時靈活、高效，其工作狀態和傳感器具體結構如圖2所示。系統性能參數如下。

（1）系統工作性能：測量系統測量精度為0.21 mm，生產節拍為60 s/臺，單點測量時間為3 s（含機器人移動時間），整個測量周期為39 s。

（2）視覺傳感器參數：測量精度為±0.05 mm，工作距離為100 mm，單點測量時間為0.5 s（不含機器人移動時間）。

（3）工業機器人參數：測量精度為±0.1 mm，測點之間機器人移動時間為2.5 s。

（4）使用環境參數：環境的溫度為-5～45 ℃，相對濕度為59%～87%，單相交流電為220 V±10%，50 Hz±0.5 Hz。

1.2 測量原理

在線檢測系統測量的特征對象包括平面、邊緣、內外棱、銷釘、孔、槽和多邊形等，以特征孔為例，傳感器的測量原理如圖3所示。系統工作時，傳感器會向測量對象投射出2種光源：LED發出的平面光和激光發射器發出的線結構光。其中，LED光投射到測量對象的平面上，工業相機拍攝該對象的輪廓，然后經過計算機處理獲得的圖像信息得到測量結果，在車身坐標系下定義為X、Y向的坐標；線激光投射至特征對象，是為了獲得測量對象在空間的位置，在車身坐標系下定義為Z向的坐標。

以被測點P為例，被測點P的測量結果為車身坐標系下的坐標，而傳感器測量出點P的坐標為傳感器坐標系中的坐標，需要經過多個坐標變換將傳感器坐標系下P點的坐標轉換到車身坐標系下的坐標，其具體變換過程如下：傳感器坐標系→機器人末端坐標系→機器人基坐標系→車身坐標系，完成被測點P的測量。

1.3 測量工作流程

白車身在傳輸滑橇上由高速滾床傳輸至檢測工位，夾具自動完成定位和夾緊后，控制器將“開始檢測”信號發送給檢測系統，檢測系統控制器將“車型”和“檢測開始”信號發送給檢測機器人，機器人接收到該信號后開始工作，帶動視覺傳感器通過標定的軌跡到達測點位置，到達測點位置后，視覺傳感器開始測量并記錄數據，并將該圖像信息傳遞給計算機上的數據分析軟件進行數據處理，測量完成后測量控制器發送“測量完成”信號給檢測系統，機器人收到該信號后向下一個測點運動，至此便完成了一個測點的檢測。檢測系統通過以上單個測點的檢測流程的重復工作便完成了整個被測特征點100%的在線檢測，通過計算機判斷測量的結果，對生產線發出繼續生產、報警或停線的指令。現場的工作人員可通過觀察結果了解該階段車身的焊接質量、分析問題的原因并及時做出調整。在線檢測系統工作流程如圖4所示。

2 在線檢測技術的應用

2.1 數據分析

在線檢測系統完成搭建后，經過多次的調試和示教，目前該系統工作穩定，已能夠對4種車型進行柔性檢測，一旦測量數據超過允許的范圍，系統便立即報警。經過一段時間的生產，車身的焊接質量明顯提升，生產線的停線率明顯降低。該檢測系統配套有專業的數據分析軟件，傳感器完成數據采集后由分析軟件完成對數據的處理和輸出，其操作界面如圖5所示，包括菜單欄、工具欄、工作狀態和車型信息欄及工作欄等。

下面以某一車型為例說明在線監測系統的應用。該車型的生產節拍為60輛/h，車身的測點個數為200個，測點包括基準孔和安裝孔89個，基準面和外觀匹配面111個，采集其一段時間內的檢測數據。在操作界面中，從工作欄可以查看測點分布外，還能查看測量的偏差，其結果均以圖形和數字的形式直觀地顯示在工作欄中。

技術人員除了可實時、直觀地在工作欄查看到車型的測點分布和尺寸偏差外，測點的尺寸偏差和尺寸極限差還能以不同的數據和圖形形式顯示在軟件操作界面（如圖6所示）。從尺寸偏差的數據結果顯示可知，偏差的波動較大，說明此時生產線上的某一工位的生產出現不穩定因素，技術人員需及時分析其原因并解決該問題；從尺寸極限差的數據結果顯示可知，該段檢測時間內，生產線的焊接質量較穩定，技術人員只需實時監測，一旦發現問題便可立即處理。

2.2 在線檢測技術的優點

（1）測量數據可視性。在線檢測系統具有實時性、測量效率高等優點，測量結果以圖表、曲線顯示在計算機上。測點位置和區域在屏幕上以圖形的形式顯示，且顯示測點名稱及其公差值、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，紅色表示誤差超過允許范圍。通過該系統可以及時地發現問題，降低車身焊接的返修率和報廢率。

（2）測量數據可關聯性。測量結果除了會保存在現場數據服務器之外，還會保存至中央數據服務器上，技術人員在各自辦公室可通過局域網隨時遠程監控、分析測量數據，以實時監測白車身的焊接質量。

（3）測量數據可分析性。歷史數據按月、年存儲在服務器中，技術人員可隨時查看歷史數據和當前數據，在線檢測系統可實現白車身檢測數據的實時分析。測量歷史數據能夠反映一段時間內車身焊接質量的規律，技術人員可通過對該時間段內的歷史數據產生的規律進行客觀分析，對夾具、生產工藝和模具等技術參數做出調整，提高車身焊接的精度。

3 結論

在線檢測技術具有實時性、測量效率高和測量結果直觀等優點，配合檢驗樣架和三坐標測量系統的使用，能夠有效地減少或避免由于車身尺寸問題對生產線其他工位造成停線或影響后續裝配等問題。該國產汽車品牌采取在線檢測系統對車身焊接質量進行測量，車身焊接質量的穩定性明顯提高，因焊接質量造成的停線和后續工位裝配困難的問題也明顯減少。在今后的使用過程中，通過對測點的位置分布、檢測頻率和技術工藝的優化，可以更好地利用該技術，以提高車身焊接的精度，進而提高自我的品牌價值和市場價值。

參 考 文 獻

[1]施成攀.汽車白車身拼焊尺寸偏差分析與研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2010.

[2]張揚明.基于質量偏差分離的白車身在線檢測數據分析與應用[D].上海：上海交通大學，2005.

[3]來新民，林忠欽.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術[J].中國機械工程，2000（11）：1215-1220.

[4]李占利，年雪山.淺談車門與白車身尺寸匹配控制方法

[J].汽車制造業，2012（21）：64-66.

[5]來新民，林忠欽.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術[J].中國機械工程，2000（11）：1215-1220.

[責任編輯：鐘聲賢]