在汽車(chē)工業(yè)中，白車(chē)身總成的車(chē)身功能尺寸是衡量汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數，必須嚴格控制。隨著(zhù)工業(yè)機器人在汽車(chē)制造中的成功使用，使得機器人和激光檢測技術(shù)的結合構建了一個(gè)機器人激光檢測系統。

        對于汽車(chē)白車(chē)身這樣的大批量制造的大型產(chǎn)品，怎樣有效地控制白車(chē)身的車(chē)身尺寸從而滿(mǎn)足顧客的要求，一直是奇瑞公司白車(chē)身質(zhì)量控制的追求。自從奇瑞公司從又快又好的戰略轉變到又好又快的發(fā)展戰略,在有效地控制了白車(chē)身強度質(zhì)量同時(shí), 車(chē)身功能尺寸質(zhì)量的控制被提到了空前的高度上,而機器人激光檢測技術(shù)的運用為奇瑞公司白車(chē)身尺寸質(zhì)量控制提供了保證。

檢測技術(shù)的發(fā)展

從檢具的運用，到三坐標測量機的應用，到目前機器人激光檢測設備的開(kāi)發(fā)和應用，車(chē)身尺寸檢測技術(shù)就呈現出非接觸、高智能、高精度和高效率的發(fā)展趨勢。

自以光學(xué)坐標測量機為代表的激光測量技術(shù)的出現，使得汽車(chē)車(chē)身制造尺寸的100%在線(xiàn)檢測成為現實(shí)，而機器人激光在線(xiàn)檢測技術(shù)就能使車(chē)身焊裝過(guò)程中各種故障的檢測更為有效、快捷和準確，而且還為監控工藝裝備的工作狀況、預報其可能故障提供了實(shí)現基礎。

機器人激光檢測系統工作原理

按照激光檢測系統承載方式可以分為固定式激光檢測系統和機器人激光檢測系統。固定式激光檢測系統和機器人檢測系統原理大致相同,固定式最大的優(yōu)勢是可以檢測到機器人手臂無(wú)法達到的部位。下面，將著(zhù)重介紹機器人激光檢測系統。

1. 機器人激光檢測系統組成部分

機器人激光檢測系統由3部分組成，即一個(gè)機器人、一套激光檢測系統及一個(gè)終端數據處理計算機。圖1為機器人工作示意圖。

圖1 機器人正在工作

激光檢測系統為一個(gè)非接觸式三維視覺(jué)傳感器裝置組成，它由2個(gè)在45°方向對稱(chēng)配置的激光傳感器和一個(gè)位于中心線(xiàn)上的CCD攝像機組成。激光傳感器用來(lái)檢測被測工件型面上某一點(diǎn)在空間的位置；攝像機用于確定工件型面上1個(gè)孔的大小和形狀（見(jiàn)圖2）。一般來(lái)說(shuō)，3點(diǎn)即可確定1個(gè)圓孔,但是在檢測時(shí)為了保證孔的大小形狀可以多選取一些點(diǎn),這里我們可以選取30點(diǎn)。對于不規則的物體通過(guò)尋找中心,特征邊或角從而確定物體的形狀。

圖2左 激光檢測示意圖

圖2 右 激光檢測示意圖

終端數據處理系統由PC計算機、交換機及數據處理軟件組成。對于傳輸回來(lái)的白車(chē)身測點(diǎn)坐標數據,使用VECTOR數據處理軟件進(jìn)行車(chē)身坐標偏差處理。圖3為終端數據處理系統。

圖3 終端數據處理系統

2. 白車(chē)身測點(diǎn)坐標的計算

當機器人開(kāi)始測量后，按預先設定的測量路徑帶動(dòng)視覺(jué)傳感器運動(dòng)，依次使測點(diǎn)進(jìn)入到傳感器的測量區域內，由視覺(jué)傳感器和測量主機完成對圓孔邊緣測量。

圖4 機器人坐標測量系統圖

如圖4所示，機器人激光檢測系統中存在4個(gè)坐標系。其中包括，與機器人相關(guān)的2個(gè)坐標系，安裝機器人時(shí)確定的基坐標系統Ob－XbYbZb和機器人末端關(guān)節坐標系Oh－XhYhZh，還有車(chē)身坐標系Ow－XwYwZw和視覺(jué)傳感器測量坐標系Oc－XcYcZc。測量的結果即為測點(diǎn)P在車(chē)身坐標Ow－XwYwZw下的坐標PW。從圖4可以看出

PW=Z×B×X×PC (1)

式中：PC為被測點(diǎn)P在視覺(jué)傳感器測量坐標系下的坐標值；X為機器人手眼關(guān)系，即機器人末端關(guān)節坐標系與視覺(jué)傳感器測量坐標系之間的變換關(guān)系；B為機器人末端關(guān)節坐標系與機器人基坐標系之間的坐標變換關(guān)系；Z為機器人基坐標系與白車(chē)身坐標系之間的位置變換關(guān)系。

式(1)中，由于視覺(jué)傳感器與機器人末端關(guān)節剛性連接，測量過(guò)程中兩者相對位置不變，所以X在測量中恒定；同樣，機器人基坐標系相對于白車(chē)身坐標系的位置關(guān)系也是不變的，即值恒定，因此，通過(guò)現場(chǎng)標定可以將X和Z在測量前計算出。B可以由機器人的正向運動(dòng)學(xué)模型及各個(gè)關(guān)節變量值獲得。通過(guò)以上分析，只要得到檢測點(diǎn)在視覺(jué)探頭傳感器測量坐標系下的坐標PC，根據式(1)，即可計算出P點(diǎn)在車(chē)身坐標系下的坐標PW。

3. 現場(chǎng)標定

目前，對攝像機和激光視覺(jué)傳感器的標定進(jìn)行了大量的研究，并建立了多種成熟的算法,這里我們采用分步求取獲得。

圖5 分步法標定示意圖

假如機器人分別從不同角度對某一點(diǎn)檢測2次，見(jiàn)圖5。則存在姿態(tài)1為

1/Z×PW1=B1×X×PCl (2)

姿態(tài)2為

1/Z×PW2=B2×X×PC2 (3)

式中：PW1和PW2為同一個(gè)檢測點(diǎn)在車(chē)身坐標系下的坐標。因此PW1＝PW2，即

B1×X×PCl=B2×X×PC2 (4)

式中：B1和B2根據機器人的運動(dòng)模型是已知的；PCl和PC2是視覺(jué)傳感器的測量結果。顯然，如果控制點(diǎn)數大于3 個(gè)，且控制點(diǎn)不在同一條直線(xiàn)上，X就可以計算出，再根據式(1)，可計算出Z。

機器人激光檢測系統運用

下面介紹的機器人檢測主要側重于白車(chē)身，四門(mén)兩蓋的檢測同樣可以使用。不同之處在于兩者載具，前者使用滑撬，后者需使用專(zhuān)用的吊架。

機器人激光檢測系統實(shí)際運用中涉及到測點(diǎn)選擇,檢測用于比較的白車(chē)身“標準件”選用，機器人激光檢測系統的校正功能及檢測系統的柔性化設計，以下將從以下方面一一闡述。
1. 白車(chē)身測點(diǎn)的布置原則

在車(chē)身生產(chǎn)過(guò)程中測量的目的是確定過(guò)程控制和不斷改進(jìn)，面向車(chē)身工藝過(guò)程穩定性控制、功能控制以及焊接過(guò)程中的故障診斷。按照測點(diǎn)功能的不同，可以將常見(jiàn)的車(chē)身測點(diǎn)分成3類(lèi)：主要定位點(diǎn)檢測點(diǎn)、關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點(diǎn)和關(guān)鍵控制特征檢測點(diǎn)。

（1）主要定位點(diǎn)檢測點(diǎn)布置。車(chē)身的生產(chǎn)過(guò)程中使用大量工裝夾具來(lái)完成對板件的定位并夾緊，確保板件在每次焊接時(shí)空間狀態(tài)保持一致，以保證車(chē)身尺寸。但是在生產(chǎn)過(guò)程中，定位銷(xiāo)及定位塊的磨損及松動(dòng)導致定位基準發(fā)生變化，影響車(chē)身的尺寸。

主要定位檢測點(diǎn)能夠顯著(zhù)反映其定位狀態(tài)，這些點(diǎn)的設立將有助于對由于定位或基準位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生的制造偏差進(jìn)行識別和診斷,例如:前/后縱梁定位孔直接影響整個(gè)車(chē)身骨架的尺寸。#p#分頁(yè)標題#e#

（2）關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點(diǎn)的布置。轎車(chē)外觀(guān)形象是否符合人們的審美要求將最先確立顧客對轎車(chē)的滿(mǎn)意程度。關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點(diǎn)最先要保證的就是影響轎車(chē)外觀(guān)形象的關(guān)鍵部位的尺寸要求，具體地講就是影響轎車(chē)整車(chē)外部型面的配合間隙及配合平整度要求。車(chē)身關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點(diǎn)布置要根據整車(chē)設計時(shí)的配合規范來(lái)進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，這些關(guān)鍵特征檢測點(diǎn)主要分布在車(chē)身的以下安裝點(diǎn)，如左/右前門(mén)安裝孔、左/右后門(mén)安裝孔、發(fā)蓋鉸鏈安裝孔及后行李箱艙蓋鉸鏈安裝孔。

（3）關(guān)鍵控制特征檢測點(diǎn)的布置。關(guān)鍵控制特征點(diǎn)是白車(chē)身檢測點(diǎn)中數量占絕對多數的一類(lèi)點(diǎn)，因此，它們的合理分布可以有效地減少采樣點(diǎn)數，而且能正確反映工件在焊裝過(guò)程中的狀態(tài)，以便進(jìn)行夾具故障識別與診斷。對每一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測點(diǎn)要相應地布置多少個(gè)關(guān)鍵控制特征檢測點(diǎn)，以及這些點(diǎn)的位置一般位于工裝難以準確定位的板件上等。這些點(diǎn)的確定主要依靠經(jīng)驗積累，而且需要對生產(chǎn)實(shí)際作出分析了解。在此基礎上，根據裝配誤差積累的情況來(lái)確定它們的分布，對于累積裝配偏差大而且容易超差的區域，要多布置一些關(guān)鍵控制特征檢測點(diǎn)。

2. 機器人激光檢測系統偏差的校正

機器人激光測量采用比較測量的方式，故需要準備一個(gè)用于“置零”的標準車(chē)身進(jìn)行測量比較。同時(shí)它不同于三坐標測量機“標尺”般的精準,機器人測量系統本身有可能存在誤差,再加上與其比較的標準件本身存在誤差,如果發(fā)生積累,將直接影響對故障判定,所以必須對以上誤差進(jìn)行消除。

（1）機器人自校正功能。機器人進(jìn)行白車(chē)身的自動(dòng)焊接時(shí)，由于機器人運行產(chǎn)生熱量易影響到機器人的運行路線(xiàn)精度，而機器人本身坐標系產(chǎn)生的微小偏差將直接影響到測點(diǎn)在車(chē)身的坐標系，因此每臺探測機器人細微偏差靠現場(chǎng)溫度補償小球在機器人坐標系中的坐標偏差量來(lái)自動(dòng)補償。

可編程控制程序（PLC）可以設定機器人檢測N臺份白車(chē)身骨架時(shí)對小球進(jìn)行檢測,通過(guò)小球的偏差不斷調整機器人的運行狀態(tài)�？紤]到金屬材料的熱變量,這里采用受熱基本上無(wú)變化的碳纖維材料的小球。

(2)標準車(chē)身的校正功能。事實(shí)上對于沖壓件、焊接件這類(lèi)性質(zhì)的工件，不可能制成一個(gè)很精確的標準車(chē)身,所以一般需對激光測量控制系統輸入偏差數據作為校正值。因此，可以將主模型進(jìn)行三坐標檢測,兩者比較后給激光測量控制系統一個(gè)偏差值做為校正值。

3. 車(chē)身控制點(diǎn)的循環(huán)檢測

從成本考慮， 不可能使用過(guò)多的機器人進(jìn)行檢測，由于生產(chǎn)節拍限制,單臺機器人測不可能在單次檢測中做到全檢，但是可以對區域內所有的檢測點(diǎn)分批次多次檢測,做到循環(huán)檢測，這樣不但可以對所有點(diǎn)做到100%檢測，還可以做到隨機抽樣的效果，更容易預測到故障發(fā)展趨勢，對于關(guān)鍵控制特征檢測點(diǎn)偏差數據也可以采用SPC分析出具體的故障模式。

4. 檢測數據處理分析及預警系統

數據分析對下一步的生產(chǎn)有重要作用�？梢愿鶕�對已經(jīng)檢測尺寸的總體分析了解焊接過(guò)程中各環(huán)節的精度情況，可以從誤差趨勢中預測下一步的焊接精度，以便及時(shí)調整焊接工藝，防止不合格品的出現。機器人檢測到數據后使用VECTOR軟件進(jìn)行分析得出該車(chē)在車(chē)身坐標系中的實(shí)際測量差值為F1、F2、F3……Fn，然后將該車(chē)身在實(shí)測點(diǎn)的相對誤差值描繪在同一坐標下，就可以了解車(chē)身相關(guān)的加工工藝的精度情況。

根據現場(chǎng)機器人激光檢測系統采集到的數據，以白車(chē)身上測點(diǎn)的采集數據為例，說(shuō)明數據庫中的數據在數據分析功能中的作用。抽取連續多點(diǎn)的測量數據，其理論值從三坐標標準數據庫中調出“標準車(chē)”誤差數據。根據該車(chē)身在全部測點(diǎn)的誤差，用橫坐標表示測點(diǎn)編號，縱坐標表示相對理論值的誤差，繪成曲線(xiàn)圖。根據誤差線(xiàn)相對允許誤差范圍的偏離程度，可以分析加工器具的磨損狀況，若發(fā)現偏差持續很大，則系統終端計算機給輸出相關(guān)指令，系統外置報警系統開(kāi)始報警。

5. 機器人激光測量系統的柔性化發(fā)展

現代的汽車(chē)生產(chǎn)汽車(chē)企業(yè)，考慮到一線(xiàn)一車(chē)型成本較高，一般都多車(chē)性共線(xiàn)生產(chǎn)，機器人激光檢測同樣存在相同問(wèn)題，不可能檢測單一車(chē)型，因此在規劃生產(chǎn)時(shí)盡量考慮到，機器人焊接及機器人激光檢測柔性化發(fā)展。

利用給滑橇 (存儲端) 安裝存儲有車(chē)型轉換程序的讀寫(xiě)頭及主線(xiàn)工位(讀取端)上安裝可以讀取車(chē)型轉換程序的讀寫(xiě)頭來(lái)給可編程控制器信號，控制器接收到信號后給機器人信號實(shí)現不同車(chē)型之間的轉換，從而達到共線(xiàn)生產(chǎn)是一種比較理想的生產(chǎn)組織方式。同樣，機器人激光檢測系統也可以利用其生產(chǎn)組織方式達到車(chē)型之間切換檢測的目的（見(jiàn)圖6）。

圖6 檢測柔性化

結論

相對于檢具和三坐標測量機檢測功用，可以說(shuō)機器人激光檢測系統完全可以取代之�？梢圆捎幂o助支架的方式，使用一臺機器人激光測量系統，把需要測量的車(chē)身總成件放置到輔助支架上，就可以實(shí)現激光測量。激光測量系統的高智能、高精度和高效率的優(yōu)點(diǎn)將是白車(chē)身總成和白車(chē)身上的分總成的測量技術(shù)的發(fā)展方向，必然是激光測量系統的運用代替大量的專(zhuān)用檢具和三坐標測量機的測量趨勢。

來(lái)源：AI汽車(chē)網(wǎng)

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