激光在線測(cè)量在汽車車身尺寸監(jiān)控中的應(yīng)用

胡津銘

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激光在線測(cè)量在汽車車身尺寸監(jiān)控中的應(yīng)用

胡津銘

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預(yù)批量科，廣東 佛山 528237）

激光在線測(cè)量技術(shù)在汽車制造企業(yè)的車身生產(chǎn)流水線的應(yīng)用越發(fā)廣泛。文章從激光線測(cè)量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成開(kāi)始，描述測(cè)量系統(tǒng)搭建及精度調(diào)試的主要途徑，介紹數(shù)據(jù)管理方式及質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，并闡述相關(guān)質(zhì)量?jī)?yōu)化專業(yè)技術(shù)人員隊(duì)伍的協(xié)作方法。文章旨在探討工程技術(shù)手段及管理方法協(xié)調(diào)運(yùn)行工作的方式，以此保持及提高車身尺寸的穩(wěn)定性，助力企業(yè)打造高品質(zhì)的汽車產(chǎn)品。

激光在線測(cè)量；車身尺寸；產(chǎn)品公差

前言

汽車車身尺寸的監(jiān)控及優(yōu)化是目前整車制造環(huán)節(jié)的一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)。在當(dāng)前汽車流水線批量生產(chǎn)狀態(tài)下，激光在線測(cè)量技術(shù)可以在規(guī)定的制造工時(shí)內(nèi)快捷且較高精度地獲取車身尺寸偏差數(shù)據(jù)。質(zhì)量?jī)?yōu)化相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)輔助理解車身批量尺寸狀態(tài)，從而服務(wù)于車身批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性保證與偏差的及時(shí)調(diào)整優(yōu)化。

1 激光在線測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)核心部件為激光傳感器。傳感器由光學(xué)鏡頭、激光器、反光鏡和攝像頭組成，測(cè)量原理為光學(xué)成像的空間三角原理。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭發(fā)射為一激光平面，位于傳感器內(nèi)的攝像頭能夠感應(yīng)到此激光面的一部分。當(dāng)激光面與待測(cè)物體表面相交時(shí)，形成一條亮度明顯的激光線。激光線在攝像頭中形成線條的位置隨物體表面的三維空間位置變化而變化。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的矩陣運(yùn)算，可以將二維成像的x、y坐標(biāo)與三維空間被測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算[1]。

傳感器在生產(chǎn)線上的布置方案可以分為固定式及動(dòng)態(tài)式兩類。固定式是將一系列的傳感器緊固安裝在生產(chǎn)線的靜置的工裝框架上，整個(gè)測(cè)量過(guò)程與被測(cè)車的位置相對(duì)靜止，測(cè)量傳感器采集數(shù)據(jù)后即可根據(jù)設(shè)定的位置關(guān)系，直接計(jì)算出在整車坐標(biāo)系（原點(diǎn)在汽車前輪的中心連線）的偏差。而動(dòng)態(tài)式可以更好滿足不同車型柔性共線生產(chǎn)的兼容要求，通常采用的方案是將測(cè)量傳感器緊裝在數(shù)控機(jī)器人上，激光傳感器采集完成信息后，通過(guò)機(jī)器人自身的臂長(zhǎng)、轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)間接轉(zhuǎn)換到被測(cè)車身的坐標(biāo)系上，最終輸出直觀的測(cè)量報(bào)告。

圖1 激光傳感器的結(jié)構(gòu)

圖2 某生產(chǎn)線激光在線測(cè)量系統(tǒng)

2 車身在線測(cè)量的構(gòu)建過(guò)程

測(cè)量系統(tǒng)需要結(jié)合車身三維數(shù)模及實(shí)物調(diào)試才能使用。對(duì)于全新預(yù)批量的車型動(dòng)態(tài)測(cè)量，技術(shù)人員可以進(jìn)行以下五個(gè)主要步驟的工作。

2.1 預(yù)選車身測(cè)量點(diǎn)

結(jié)合被測(cè)車身總成的三維數(shù)模，提前選定一些比較重要的位置，例如涉及功能零件的裝配尺寸、對(duì)后續(xù)工序有關(guān)鍵影響的定位尺寸、客戶能目視感知到的重要外觀尺寸。規(guī)劃定義測(cè)量點(diǎn)的名稱、測(cè)量點(diǎn)的幾何類型、測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)、法向量、公差帶大小。在測(cè)量點(diǎn)的預(yù)選及規(guī)劃過(guò)程中應(yīng)盡可能保證與質(zhì)量保證部門檢測(cè)科室的接觸式三坐標(biāo)測(cè)量報(bào)告盡可能保持一致性，這樣可以便于激光在線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精度標(biāo)定及保養(yǎng)維護(hù)的時(shí)有測(cè)量偏差基準(zhǔn)可供參考。

2.2 分析測(cè)量可達(dá)性

在線測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)臂攜帶著激光傳感器在起止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)掃略過(guò)一定的空間，客觀上存在與被測(cè)量車身干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。而且激光傳感器有成像景深要求，需要與被測(cè)車身的距離保持在一定范圍內(nèi)。因此預(yù)選的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都需要進(jìn)行系統(tǒng)硬件是否可到達(dá)的仿真驗(yàn)證。這方面有相關(guān)的專業(yè)仿真軟件，可以輔助技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)的虛擬仿真驗(yàn)證工作。如果發(fā)現(xiàn)有無(wú)法通過(guò)參數(shù)調(diào)整消除的不可到達(dá)點(diǎn)，則需要進(jìn)行剔除，考慮改用其它的方式進(jìn)行尺寸監(jiān)控。

2.3 均衡生產(chǎn)節(jié)拍

汽車自動(dòng)生產(chǎn)線對(duì)每個(gè)小時(shí)內(nèi)的產(chǎn)量節(jié)拍（JPH）有著嚴(yán)格的要求，在線測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量工作時(shí)間也需遵守。如果在測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃進(jìn)行工時(shí)模擬時(shí)，估算出所需的測(cè)量總時(shí)間大于生產(chǎn)節(jié)拍給出的時(shí)間限制，則需要對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行分組編排處理。可以將所有的測(cè)量點(diǎn)數(shù)近似平均分為N個(gè)組（通常N≤5），每組的測(cè)量總時(shí)間必須控制在生產(chǎn)節(jié)拍范圍內(nèi)。在連續(xù)進(jìn)行的車序中，每臺(tái)車只進(jìn)行其中一組的測(cè)量點(diǎn)采集，接下來(lái)的另一臺(tái)車進(jìn)行另外一組的數(shù)據(jù)采集，在連續(xù)N臺(tái)車經(jīng)過(guò)測(cè)量工位后，即可完成全部設(shè)定測(cè)量點(diǎn)的采集及評(píng)價(jià)。

2.4 編制測(cè)量程序與設(shè)定公差

為了使待測(cè)點(diǎn)能被激光傳感器清晰識(shí)別并測(cè)量，調(diào)試人員需根據(jù)每個(gè)待測(cè)點(diǎn)的幾何特征（圓孔、曲面點(diǎn)、拐角點(diǎn)、螺柱等）進(jìn)行定義，并結(jié)合激光傳感器的成形圖像進(jìn)行測(cè)量算法的選擇設(shè)定與參數(shù)調(diào)試。在線測(cè)量的公差設(shè)置通常包括系統(tǒng)預(yù)警的公差及設(shè)備停臺(tái)的這兩個(gè)層面的公差。如果在線測(cè)量數(shù)值在產(chǎn)品要求公差帶75%至100%的區(qū)間，可以設(shè)定系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。如果測(cè)量點(diǎn)嚴(yán)重超差，可以設(shè)置生產(chǎn)線立即停臺(tái)進(jìn)行質(zhì)量分析。以上的參數(shù)結(jié)合機(jī)器人的軌跡編程技術(shù)，按照不同區(qū)域統(tǒng)籌生成系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量程序。

2.5 測(cè)量穩(wěn)定性及精度一致性調(diào)試

在線測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度需要滿足質(zhì)量監(jiān)控的技術(shù)要求。針對(duì)同一臺(tái)車身，將機(jī)器人機(jī)械臂及車身傳輸工裝靜態(tài)及動(dòng)態(tài)重復(fù)測(cè)量過(guò)程運(yùn)行設(shè)定的測(cè)試次數(shù)（例如連續(xù)20次），測(cè)量結(jié)果的平均偏差如果在足給定的精度范圍（例如0.05mm），可以認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足需要。由于接觸式的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在很多汽車企業(yè)里是質(zhì)量認(rèn)可的標(biāo)桿，激光在線測(cè)量系統(tǒng)可以利三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度作為參照基準(zhǔn)。我們可以將同一臺(tái)車身的激光在線測(cè)量數(shù)值與經(jīng)過(guò)接觸式三坐標(biāo)測(cè)量的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行差值分析。如果激光在線測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)值比基準(zhǔn)值的偏差絕對(duì)值大于給定的控制偏差（例如0.2mm），則需要將其平均偏差值整體補(bǔ)償相應(yīng)的差值，整體平移到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基準(zhǔn)數(shù)值。當(dāng)穩(wěn)定性和精度一致性達(dá)到目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)才可以正式投入使用。

3 測(cè)量數(shù)值統(tǒng)計(jì)及分析

在線測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一定的梳理及解讀后才能體現(xiàn)價(jià)值，實(shí)際工作中需要觀察一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)來(lái)把握批量車身尺寸偏差的規(guī)律。在車身質(zhì)量控制領(lǐng)域主要統(tǒng)計(jì)的數(shù)值有：

合格率：符合公差要求的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)除以所有測(cè)量點(diǎn)的總數(shù)。

平均測(cè)量值：某個(gè)具體測(cè)量點(diǎn)所有被測(cè)車輛的平均值,可以用字母表示。

對(duì)于車身尺寸的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，常用以下過(guò)程能力指數(shù)來(lái)進(jìn)行[2]：

使用評(píng)價(jià)過(guò)程的波動(dòng)大小：

其中和分別為公差上限和下限，為參與評(píng)價(jià)的被測(cè)車數(shù)，i為具體某臺(tái)車指定點(diǎn)的測(cè)量數(shù)值，為所有參與評(píng)價(jià)點(diǎn)的測(cè)量平均值。

主要用于評(píng)價(jià)被測(cè)量點(diǎn)圍繞控制目標(biāo)中心值的波動(dòng)情況：

實(shí)踐中與通常結(jié)合一起來(lái)參考評(píng)價(jià)。

對(duì)于相關(guān)技術(shù)人員，需要持續(xù)關(guān)注在線測(cè)量數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況，同時(shí)要利用相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，這需要一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。例如發(fā)現(xiàn)測(cè)量值沿著某個(gè)測(cè)量值無(wú)規(guī)律波動(dòng)，可以檢查上游零件及分總成的尺寸穩(wěn)定性及夾具定位元件的尺寸精度，如上游零件尺寸不穩(wěn)定或定位元件磨損，則制定相關(guān)零件的優(yōu)化措施或更換新的定位元件。

4 專業(yè)技術(shù)人員團(tuán)隊(duì)協(xié)助

在實(shí)際車身生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要由相關(guān)不同部門協(xié)同合作進(jìn)行在線測(cè)量的數(shù)據(jù)應(yīng)用。通常可以由生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、測(cè)量技術(shù)人員、過(guò)程質(zhì)量保證人員、車身匹配分析優(yōu)化人員組成跨職能項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以對(duì)在線測(cè)量系統(tǒng)的硬件保養(yǎng)維護(hù)頻次、測(cè)量精確度的校驗(yàn)周期、測(cè)量點(diǎn)的規(guī)劃與生產(chǎn)節(jié)拍的平衡、車身測(cè)量超差尺寸的報(bào)警及優(yōu)化、重點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題的升級(jí)處理機(jī)制等內(nèi)容制定出詳細(xì)的工作流程文件。在相關(guān)部門的績(jī)效管理里，還可以針在線測(cè)量的運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)對(duì)設(shè)定相應(yīng)質(zhì)量目標(biāo)。對(duì)一些富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，可以進(jìn)行質(zhì)量攻關(guān)項(xiàng)目的立項(xiàng)，在工作榮譽(yù)和薪酬獎(jiǎng)金上對(duì)卓有成效的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行激勵(lì)。

5 結(jié)論

汽車車身生產(chǎn)線的激光在線測(cè)量應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)硬件構(gòu)建與制造技術(shù)管理相結(jié)合的過(guò)程，不僅需要技術(shù)人員熟悉其硬件的原理及系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程，還需掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工具，最終通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式，達(dá)到穩(wěn)定及優(yōu)化車身尺寸的效果，從而助力高品質(zhì)汽車產(chǎn)品的制造。

[1] 楊揚(yáng).轎車車身尺寸在線檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)報(bào)警方法研究與應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,2011,4-6.

[2] 呂杰.基于過(guò)程能力的裝配質(zhì)量研究——質(zhì)量配合能力的評(píng)價(jià)與應(yīng)用[D].山東大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院.2017,11-12.

The application of laser online measurement on vehicle body dimensional control

Hu Jinming

( FAW-Volkswagen Automotive Co., LTD, Foshan Branch, Series Analysis and VSC, Guangdong Foshan 528237 )

Laser online measuring technology is more and more popular in automobile company vehicle’s body automation production line. This thesis introduce the structure of the laser online measuring system, describe the main process of building and adjusting the accuracy of measuring system, introduce the measuring data management network and quality evaluation Index, and share the cooperation method of related professional and technical personnel team. The purpose of this thesis is to discuss the way of coordinating the operation of engineering and management methods, and helping enterp -rises to build high quality automobile products.

laser online measurement; vehicle body dimension; product tolerance

U463.82

A

1671-7988(2019)07-48-03

胡津銘，就職于一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預(yù)批量科， 從事汽車車身及整車尺寸匹配分析與優(yōu)化研究工作。

U463.82

A

1671-7988(2019)07-48-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.016