機器人激光在線檢測技術在汽車焊裝線上的應用

1. 概述

在汽車車身製造過程中，白車身精度是關鍵質量因素。目前，採用在線檢測技術是保證車身精度最有效手段之一。在線檢測技術是對焊裝線車身總成或分總成實行100%在線測量，實時、動態監控生產線，及時發現誤差，並根據當前測量數據和歷史數據規律對產生誤差的原因做出客觀判斷，調整相關夾具或檢具，使白車身精度滿足產品技術要求。

而激光在線檢測技術作為在線檢測技術中的一種，是採用激光、視覺（CCD）感測、圖像處理以及計算機控制等技術實現物體空間尺寸及位置精密測量的新技術，具有非接觸、速度快、環境適應性好的特點，可以很好地滿足現代工業在線測量的要求，已經成為先進位造領域內最先進的在線測量技術之一。

我公司在某轎車焊裝線上也採用了此種在線檢測方式，有效的實現對下線白車身一致性的性能監控。下面將結合現場實際應用，對機器人激光在線測量系統的組成及工作原理進行詳細介紹。

2. 激光在線測量系統的構成

在白車身總成下線工位的車身兩側布置2台檢測機器人，機器人型號採用KUKA KR150L110—2。為了對車身內部的一些重要特徵點實現測量，併兼顧車身前後關鍵功能點，經過電腦模擬，得出機器人最合理安裝位置如圖1所示。圖1中坐標系是相對於車身坐標系而定的，機器人底座高度相對車身坐標系在Z方向上是-400mm，為了保證機器人在測試過程中不與地面發生碰撞，機器人底座高度必須>400mm，兩者以距地面高者為準。

圖1 機器人安裝位置模擬結果

根據模擬結果，結合現場布局，最終定出在線檢測工作站布局實物如圖2所示。

圖2 在線檢測系統工作站示意

3. 檢測原理及功能

（1）系統工作原理?白車身通過滑撬運動到檢測工作站停下並精確定位，線控制器給檢測站控制器發「到位」信號站控制器給機器人發出「車型」及「啟動」信號機器人接到信號後開始工作，機器人向測量控制器發出每個測量點的「測量請求」和「測點ID」信號，等待測量控制器發回「測量開始」信號測量系統接到信號後開始測量並記錄數據，然後傳遞到測量分析軟體進行處理，測量結束後向機器人發出「測量完成」信號機器人收到「測量完成」信號後開始向下一測量點運動。按照此流程完成所有待測點的測量，如圖3所示。

圖3 系統工作原理

通過測量控制軟體可以實時顯示當前白車身的測量結果，被測點的三維坐標及其與理論值的偏差都在表中顯示出來，不同範圍偏差以不同顏色顯示，綠色表示正常，黃色表示告警，紅色表示超差。雙擊某點的數據表格進入測量點數據查詢與分析窗口，可以實現當前白車身測量結果的列印，也可以對測量結果進行實時列印。在實時顯示中，既可以根據生產節拍及系統測量的速度設定測量數據的刷新時間，也可以選擇手動刷新。

通過激光在線檢測系統不僅可實現整車數據查詢與分析，功能尺寸分析，還可通過激光在線檢測系統對日產量統計表和日合格率進行月統計和年統計，並對顯示的數據和圖表進行列印輸出。

（2）檢測系統處理方式?激光在線檢測系統測量數據能以圖表、曲線直觀顯示，如果超差系統輸出報警信號，測量結果可以通過區域網接入車間信息系統，技術、質保等相關部門人員可在各自辦公室終端上隨時調閱、分析測量數據。測量點數據查詢與分析是針對每一個被測點進行的數據查詢、統計、分析。打開窗口，點擊被測點，在窗口下可出現該點加工誤差在X、Y、Z三個方向上的變化曲線或誤差統計圖，可以設定測量點X、Y、Z三個方向的坐標理論值及告警和超差設置。

檢測系統的處理方式分為手動和自動兩種方式。自動處理是根據測量結果數據的分析，由系統自動報警停線；而手動處理是根據測量結果數據的分析，在系統給出報警後，由監控人員進行二次分析和判斷，通過人工手動操作，控制是否需要停線。在車間質管部設置有操控按鈕，可以在沒有發生任何問題時，屏蔽測量系統但不停線。

當檢測設備出現故障或者測量數據出現偏差時，檢測系統會給出相應的報警信號。當檢測設備出現故障時，安全系統信號給車間質保部發出報警信號，同時給機器人控制系統發出信號，機器人控制器將會對Station Controller站控制系統發出請求，從而將該站檢測系統的工作屏蔽，此時生產線不需停線，可繼續生產。

當檢測系統的測量數據出現偏差時，車間質保部及Line Controller線控制器LC上均有報警設施，提示白車身尺寸存在誤差。當測量數據出現誤差時，車間質保部會出現聲控報警音，提示監控人員測量數據存在偏差，並在Line Controller線控制器LC的顯示屏上將偏差的數值顯示出來。現場工藝人員根據當前測量數據和歷史數據規律對產生誤差的原因做出客觀判斷，調整相關參數，使白車身精度滿足產品技術要求，如圖4所示。

圖4 運行中的測量系統

（3）檢測系統測量工作流程?按120s的生產節拍規劃，單車可測量約90點，針對關鍵點要求每台均測量，而一般檢測點則輪換測量。按A+B、A+C、A+D的模式輪流測量監控，每三台車覆蓋所有測點（A為關鍵點，B、C、D為一般點監測點）。

測量工作流程：PLC獲得車型信息車身到位掃描車身碼夾具系統夾緊車身確認，確定測量組別測量車身離銷精度補償（測量後即開始）數據上傳（與車身離銷同步）測量結果顯示。

數據的分析運用是本在線檢測技術的重點，可自動生成分析結果，測量界面如圖5、圖6所示。

圖5 型面點的測量界面示意

圖6 孔位的測量界面示意

4. 測量設備

（1）激光視覺探頭?激光視覺探頭是獲取被測對象圖像信息的直接器件。採用半導體激光器作為光源的探頭，它可以非接觸、在線測量車身上翻邊止口、定位孔的空間三維坐標或功能尺寸。其主要技術參數如下：解析度0.01mm，精度±0.05mm，測量時間0.5s，工作距離200mm。

激光探頭和感測器支架的總質量約為12kg，其結構形式如圖7所示。

圖7 激光探頭及感測器示意

（2）KUKA KR150L110—2測量機器人?KUKA KR150L110—2測量機器人是在線檢測的主要作業者，激光視覺探頭固定連接在機器人手臂的末端。通過機器人連接軸的轉動，帶動激光視覺探頭運動，從而完成對組成車身各個部件、分總成、總成的實時測量。

5. 影響測量精度的主要因素

該檢測系統的作用是監控焊裝線批量生產的一致性，主要通過測量重複性定位精度來確認批量生產的一致性。

通過長期測量分析發現，影響測量精度的主要因素有以下幾點：

（1）感測器採集圖片時的姿態?垂直於檢測特徵面時精度最高，隨著檢測探頭的角度傾斜增大，測量精度會隨之降低。

（2）溫度的影響?環境溫度的影響可以忽略，但機器人本體運行過程中溫度的變化對測量的數值影響較大，溫度變化主要在檢測特徵面的法線方向上產生偏差（垂直測量時）。在極限條件下，對精度最大影響約為0.2mm。在機器人非極限運行狀態下，溫度對測量精度的影響可以不加以考慮。

（3）測量特徵的影響?測量特徵越明顯，測量的精度越高，例如稜線上的測量點的測量精度要比止口翻邊上的測量精度高，平面孔的測量精度比螺母孔的測量精度高。

（4）機器人本體的影響?機器人本身的重複性定位精度越高，測量的精度就越高。

6. 結語

我公司通過在焊裝下線工位增加在線檢測系統， 對每台下線白車身的關鍵尺寸進行實時動態監測，對組成車身的各個部件、分總成、總成進行實時測量。當檢測數據與基準數據出現小批量偏差時，控制站會給出報警，工作人員可及時發現問題。同時根據監測的趨勢圖表分析，現場工程師可大概判定問題產生的原因，為解決問題指引了方向，有效縮短了解決問題的時間。

同時通過在線檢測系統，可將所有的測量結果通過網路資料庫統一管理，綜合分析車身各組成部件的製造誤差，從而可以迅速準確地定位誤差工位甚至夾具，為高質量的車身製造提供最有效的測量手段，可以在較大程度上降低白車身的返修率及報廢率。

文章來源：《金屬加工（熱加工）》2018年第3期

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