淺談機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用

李金山，李彥賀，溫強(qiáng)龍，安珂

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)在車身制造過(guò)程中應(yīng)用的必要性

伴隨日趨激烈的國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)，各汽車主機(jī)廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力大體可總結(jié)為造型、性能及質(zhì)量三大方面。尤其是汽車質(zhì)量這一方面，最能夠體現(xiàn)一款汽車的口碑，也會(huì)間接的影響市場(chǎng)認(rèn)可及銷售能力。

汽車制造作為一個(gè)系統(tǒng)化的制造工程，而作為汽車整車制造過(guò)程中最重要的工序之一的車身制造，作業(yè)內(nèi)容復(fù)雜且質(zhì)量指標(biāo)要求高。車身制造過(guò)程的重要質(zhì)量指標(biāo)一般分為車身尺寸質(zhì)量、焊接質(zhì)量、外觀質(zhì)量、匹配質(zhì)量等，其中車身尺寸質(zhì)量是最影響整車裝配性的質(zhì)量指標(biāo)之一。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于車身制造過(guò)程中的車身尺寸的檢測(cè)方式大多采用線下檢測(cè)，即采用雙懸臂測(cè)量?jī)x在專業(yè)的三坐標(biāo)測(cè)量室（恒溫恒濕）內(nèi)對(duì)車身進(jìn)行檢測(cè)（如圖1所示），通常一條車身生產(chǎn)線單班次每日測(cè)量樣本不會(huì)超過(guò)2臺(tái)份，且測(cè)量周期長(zhǎng)，一般為2-3小時(shí)/臺(tái)車，檢測(cè)報(bào)告制作周期約為0.5小時(shí)。一般取得當(dāng)日車身生產(chǎn)過(guò)程中尺寸報(bào)告需要自線上下車后的 2.5～3.5小時(shí)左右，而此時(shí)生產(chǎn)線仍然繼續(xù)生產(chǎn)，如果車身尺寸狀態(tài)存在較大偏差，問(wèn)題車身已生產(chǎn)62.5～87.5臺(tái)車（以25JPH為例）。無(wú)法做到及時(shí)反饋車身誤差信息，若產(chǎn)生不可修復(fù)性的車身尺寸偏差，所產(chǎn)生的損失不可預(yù)估。

為解決此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分主機(jī)廠已意識(shí)到車身制造過(guò)程中在線檢測(cè)技術(shù)的重要性，并且部分主機(jī)廠已投入應(yīng)用固定式在線檢測(cè)技術(shù)，如紅外線在線檢測(cè)技術(shù)。但由于固定式的局限性，效果不夠理想，檢測(cè)位置較為單一且只能檢測(cè)單一車型，無(wú)法滿足車身實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量需要。為此一種柔性化的車身尺寸在線檢測(cè)技術(shù)在車身制造過(guò)程中的應(yīng)用勢(shì)在必行。

圖1 傳統(tǒng)車身三坐標(biāo)測(cè)量

2 機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)在車身制造過(guò)程中應(yīng)用的目的

目前國(guó)內(nèi)汽車白車身生產(chǎn)線發(fā)展日新月異，為響應(yīng)國(guó)家提出的“中國(guó)制造2025”這一主題，柔性化、自動(dòng)化、智能化及高節(jié)拍是未來(lái)汽車白車身生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，如何滿足這一趨勢(shì)是目前車身制造過(guò)程在線檢測(cè)刻不容緩的一大課題。

2.1 滿足車身制造過(guò)程中柔性化在線檢測(cè)需求

固定式、單一車型的在線檢測(cè)技術(shù)已不能滿足目前白車身生產(chǎn)線柔性化需求，為此在線檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)具備柔性化功能。目前世界上車身尺寸檢測(cè)設(shè)備相對(duì)比較完善（主要有紅外線、藍(lán)光、白光等檢測(cè)系統(tǒng)），而柔性化的檢測(cè)技術(shù)需完善的車身尺寸檢測(cè)設(shè)備及可滿足一定移動(dòng)軌跡的載體即可實(shí)現(xiàn)，其中載體應(yīng)同時(shí)具備位置度及重復(fù)定位精度要求。具體項(xiàng)目可依據(jù)不同需求可選擇不同的工裝活設(shè)備作為載體，而目前以機(jī)器人作為載體是符合車身柔性化制造需求的最佳對(duì)象（如圖2ab所示）。

2.2 滿足車身制造過(guò)程中尺寸檢測(cè)及時(shí)性需求

圖2a 機(jī)器人在線檢測(cè)

圖2b 機(jī)器人在線檢測(cè)

傳統(tǒng)的車身檢測(cè)方式由于檢測(cè)周期長(zhǎng)且只能對(duì)車身進(jìn)行抽檢。而機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸、快速等檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠快速反饋車身尺寸信息，而且也可體現(xiàn)出車身尺寸趨勢(shì)及重要車身尺寸偏差在線預(yù)警功能，能夠及時(shí)為工藝分析改進(jìn)提供依據(jù)，符合未來(lái)車身制造自動(dòng)化、智能化及高節(jié)拍的質(zhì)量需求。

3 機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)工作原理

3.1 在線檢測(cè)系統(tǒng)-機(jī)器人構(gòu)成

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要構(gòu)成部分如下：

①重復(fù)位置精度較高的機(jī)器人，如KUKA、ABB等一流品牌機(jī)器人；

②專業(yè)的視覺(jué)傳感器；

③包含服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、圖像處理系統(tǒng)及用戶界面程序等的測(cè)量專用數(shù)據(jù)控制柜；

④相應(yīng)的RFID系統(tǒng)、光柵及Z向傳感器等PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成。

其中作為輸入端的是視覺(jué)拍攝系統(tǒng)并對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。通常組成部分是半導(dǎo)體激光束作為信息的輸入端，可實(shí)現(xiàn)與待測(cè)對(duì)象不進(jìn)行接觸（傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)采用接觸式）、對(duì)待測(cè)對(duì)象的特征進(jìn)行信息收集。該輸入端的技術(shù)參數(shù)要求：工作距離200mm左右、精度±0.05mm、分辨率0.01mm、分辨率0.01mm及相關(guān)的穩(wěn)定輔助支架等。

圖3 機(jī)器人在線檢測(cè)技術(shù)工作原理

3.1.1 系統(tǒng)布置

以通常的白車身自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，在線檢測(cè)工位可布置 2-4臺(tái)在線檢測(cè)機(jī)器人（具體依據(jù)實(shí)際需求為準(zhǔn)），通過(guò)3D數(shù)據(jù)模擬仿真，并結(jié)合線體的實(shí)際布置及既定生產(chǎn)節(jié)拍，最大限度滿足需求的前提下，最終明確在線檢測(cè)機(jī)器人的布置位置及數(shù)量。

3.1.2 檢測(cè)點(diǎn)仿真及方案

（1）檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量的設(shè)定

以30JPH的白車身自動(dòng)化焊裝線為例，滑橇的轉(zhuǎn)運(yùn)（包含升降）時(shí)間約為18s，單個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的花費(fèi)時(shí)間約2-2.5s。綜上，配置4臺(tái)在線檢測(cè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)的最大數(shù)量為：【（120－18）/2】*4＝204 個(gè)。

（2）檢測(cè)點(diǎn)的預(yù)選、仿真及最終確定

白車身焊裝線通常共由五個(gè)關(guān)鍵區(qū)域組成：側(cè)圍區(qū)域、發(fā)艙區(qū)域、前地板區(qū)域、后地板區(qū)域及車身骨架區(qū)域。若僅設(shè)置一個(gè)工位的在線檢測(cè)系統(tǒng)，盡可能多的設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，則對(duì)于白車身檢測(cè)效果越明顯，在仿真模擬前，參考傳統(tǒng)三坐標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)并依據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行預(yù)設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)，依據(jù)預(yù)設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果作為導(dǎo)向從而最終確認(rèn)檢測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量。

3.1.3 在線檢測(cè)效果

（1）焊裝自動(dòng)線通過(guò)滑撬將待測(cè)白車身骨架轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)器人在線檢測(cè)工位，待車身定位完成后，控制器給在線檢測(cè)工位控制器發(fā)射“到位”信號(hào)、控制器給在線檢測(cè)系統(tǒng)控制柜發(fā)射“車型”信號(hào)、控制柜向檢測(cè)機(jī)器人發(fā)動(dòng)“啟動(dòng)”信號(hào)、機(jī)器人接到信號(hào)后運(yùn)行、機(jī)器人將每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)值向檢測(cè)控制器發(fā)射“測(cè)量請(qǐng)求”和“測(cè)點(diǎn)ID”信號(hào)、待檢測(cè)控制器發(fā)回的“測(cè)量完成”信號(hào)、在線檢測(cè)系統(tǒng)接到信號(hào)后啟動(dòng)測(cè)量并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄、再通過(guò)檢測(cè)分析軟件進(jìn)行處理。單個(gè)檢測(cè)點(diǎn)結(jié)束后繼續(xù)向機(jī)器人發(fā)射“測(cè)量完成”信號(hào)、機(jī)器人收到“測(cè)量完成”信號(hào)后開(kāi)始向下一檢測(cè)點(diǎn)運(yùn)行，直至完成所有既定檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。

（2）在線檢測(cè)系統(tǒng)可取得的效果：

通過(guò)機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中異常車身尺寸波動(dòng)的預(yù)警，又可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建。

①通過(guò)對(duì)過(guò)程異常車身尺寸示警，規(guī)避了批量問(wèn)題車身的生產(chǎn)且能夠正向識(shí)別問(wèn)題，降低不合格產(chǎn)品數(shù)量；

②車身檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，通過(guò)對(duì)指定時(shí)間段的車身數(shù)據(jù)匯總分析，有利于逆向識(shí)別整車裝配所產(chǎn)生的問(wèn)題位置，便于問(wèn)題解決，提高問(wèn)題解決效率。

3.1.4 影響在線檢測(cè)系統(tǒng)精度的因素

通過(guò)查閱相關(guān)資料并實(shí)地跟蹤驗(yàn)證確認(rèn)后，影響在線檢測(cè)系統(tǒng)精度因素如下：

①信號(hào)輸入端在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)確保與檢測(cè)點(diǎn)的投影面保持垂直狀態(tài)，越接近90°，檢測(cè)精度越高，反之，精度越差；

②機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)中機(jī)器人本體在同一姿態(tài)不同溫度（極限溫度與通常溫度）環(huán)境下運(yùn)行過(guò)程中波動(dòng)較大，經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，精度波動(dòng)值在0.2mm左右。非極限溫度下，波動(dòng)可忽略不計(jì)；

③檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)選取特征明顯的點(diǎn)，同一臺(tái)車經(jīng)在線檢測(cè)后用傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，特征越明顯的檢測(cè)點(diǎn)，在線檢測(cè)的測(cè)量精度越高；

④機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)所選取的重復(fù)性定位精度越高的機(jī)器人，檢測(cè)特征點(diǎn)的精度越高。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可取得如下優(yōu)點(diǎn)：

4.1 白車身焊裝線所有車身關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)都可實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，并可針對(duì)異常車身進(jìn)行預(yù)警，規(guī)避批量問(wèn)題車身生產(chǎn)，降低企業(yè)不合格品所產(chǎn)生成本，同時(shí)提高檢測(cè)效率。

4.2 白車身在線檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)車身尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)搭建，通過(guò)對(duì)指定時(shí)間段的車身數(shù)據(jù)匯總分析，有利于逆向識(shí)別整車裝配所產(chǎn)生的問(wèn)題位置，便于問(wèn)題解決，提高問(wèn)題解決效率。