大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測(cè)量方法解析

劉非，高樹森，魏強(qiáng)，陳文

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

隨著電動(dòng)汽車的普及，車用電池的需求量急劇增加。為了增加電池的續(xù)駛里程和減小電池尺寸，需要對(duì)電池進(jìn)行集成化的零件組合安裝。為了降低工藝復(fù)雜度和工藝成本，多采用在板材焊接螺柱的形式，用于后續(xù)匹配零件的安裝和固定。為了避免出現(xiàn)后續(xù)工位零件安裝匹配的抱怨，需要使用光學(xué)拍照對(duì)焊接后螺柱的尺寸進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)尺寸合格及穩(wěn)定性。但是現(xiàn)在通用的測(cè)量技術(shù)手段為機(jī)械抓手通過定位銷和夾爪對(duì)板材進(jìn)行固定，以世界坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過光學(xué)拍照測(cè)量的手段對(duì)螺柱尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性不足，不能為后續(xù)工位提供尺寸指導(dǎo)。為此，需要設(shè)計(jì)一種適用于大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測(cè)量方法，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖1 螺柱對(duì)手件安裝示意

尺寸測(cè)量方案調(diào)查

某電動(dòng)車的電池殼體為水冷板和框架組合而成的密封箱式結(jié)構(gòu)，在框架內(nèi)部即水冷板的內(nèi)側(cè)焊接螺柱，用于后續(xù)裝配安裝固定相應(yīng)的電器元件。同時(shí)相應(yīng)的電器元件的安裝通過自動(dòng)擰緊方式進(jìn)行，為了保證后續(xù)裝配擰緊生產(chǎn)節(jié)奏的穩(wěn)定性和通順性，需要對(duì)焊接后的螺柱進(jìn)行精確尺寸控制，保證進(jìn)入后續(xù)工位的殼體尺寸的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

調(diào)查結(jié)果見表1，離線光學(xué)拍照合格率為100%，表明對(duì)應(yīng)螺柱焊設(shè)備自身的焊接尺寸精確度和穩(wěn)定性均能滿足相應(yīng)的要求，但是在線光學(xué)拍照的合格率均低于80%，說明在線測(cè)量過程中存在很多問題導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性不足。

表1 測(cè)量方案準(zhǔn)確率調(diào)研結(jié)果

為此，需要進(jìn)一步的分析影響在線測(cè)量尺寸合格率及穩(wěn)定性不足的因素。

在線測(cè)量不足因素分析

分析研究現(xiàn)有的測(cè)量方法：通過機(jī)器人抓手將水冷板抓取，機(jī)器人行走至照相測(cè)量設(shè)備位置，將螺柱平移至照相機(jī)前進(jìn)行拍照，如圖2所示，形成識(shí)別特征孔，生成對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。

圖2 在線測(cè)量示意

影響螺柱到達(dá)測(cè)量位置的因素如下：

1）機(jī)器人移動(dòng)穩(wěn)定性（±0.06mm）。

2 ） 機(jī)器人抓手定位銷與定位孔徑差異（±0.2mm）。

3）機(jī)器人抓手夾緊力造成水冷板變形。

以上誤差累計(jì)將造成終端的螺柱尺寸誤差達(dá)到±0.5mm，超出螺柱本身的圖樣尺寸，在尺寸測(cè)量的精度和穩(wěn)定性上造成極大的誤差。

對(duì)策制定及驗(yàn)證

經(jīng)過上述分析得知，造成尺寸測(cè)量不穩(wěn)定的原因是尺寸鏈累計(jì)誤差，為了減少甚至完全消除尺寸鏈累計(jì)誤差，主要從工裝結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法上減少甚至消除誤差。

1.工裝優(yōu)化

通過對(duì)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加定位銷直徑，進(jìn)而降低由于定位銷在定位孔內(nèi)的竄動(dòng)造成的尺寸測(cè)量源頭的不穩(wěn)定因素。

2.測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

除了以上的機(jī)械結(jié)構(gòu)和不斷優(yōu)化測(cè)量參數(shù)，為了進(jìn)一步消除尺寸鏈的累計(jì)誤差，需要調(diào)整測(cè)量坐標(biāo)系的來源。通過將坐標(biāo)系來源調(diào)整至水冷板的現(xiàn)有RPS孔，可將從機(jī)器人穩(wěn)定性及定位銷與孔徑差異造成誤差消除。

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換前提條件如下：

1）新建坐標(biāo)系的RPS孔距離待測(cè)量點(diǎn)位盡可能小。

2）新建坐標(biāo)系的RPS孔的加工結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。

3）相機(jī)與機(jī)器人標(biāo)定，相機(jī)的坐標(biāo)系與機(jī)器人的坐標(biāo)系一致。

動(dòng)作執(zhí)行如下：

1）機(jī)器人帶工件移動(dòng)到RPS孔1的拍照位置。相機(jī)拍RPS孔1，得到RPS孔1的圓心坐標(biāo)。

2）機(jī)器人帶工件移動(dòng)到RPS孔2的拍照位置。相機(jī)拍RPS孔2，加上機(jī)器人從RPS孔1的拍照位置到RPS孔2的拍照位置的X和Y的偏移量，得到RPS孔2的圓心坐標(biāo)。

3）機(jī)器人帶工件移動(dòng)到螺柱的拍照位置，相機(jī)拍螺柱，加上機(jī)器人從RPS孔1的拍照位置到螺柱的拍照位置的X和Y的偏移量，得到螺柱圓心的坐標(biāo)。

4）根據(jù)RPS孔1坐標(biāo)和RPS孔2坐標(biāo)，得到一條直線，再根據(jù)螺柱圓心的坐標(biāo)計(jì)算螺柱圓心到直線的垂線長(zhǎng)度和RPS孔1到垂線與直線交點(diǎn)的長(zhǎng)度。如圖3所示。

圖3 測(cè)量方法示意圖

5）根據(jù)以上計(jì)算，得到了螺柱與RPS孔1的2個(gè)長(zhǎng)度，發(fā)送給PLC，由PLC判斷是否合格。

驗(yàn)證過程發(fā)現(xiàn)：當(dāng)定位銷直徑相對(duì)定位孔直徑≤－0.1mm時(shí)，對(duì)于螺柱的尺寸測(cè)量穩(wěn)定性無(wú)明顯提升；通過調(diào)整測(cè)量坐標(biāo)系來源，可將從機(jī)器人穩(wěn)定性及定位銷與孔徑差異造成誤差消除，提高螺柱尺寸測(cè)量精度及穩(wěn)定性。

實(shí)施效果

使用大型鈑金件上焊接螺柱的尺寸測(cè)量方法，在線測(cè)量與離線測(cè)量一致性對(duì)比可達(dá)到98%，即在線測(cè)量設(shè)備可有效且準(zhǔn)確測(cè)量螺柱實(shí)際尺寸，并有效攔截尺寸異常零件。