在汽車工業(yè)中，白車身總成的車身功能尺寸是衡量汽車產品質量的關鍵參數(shù)，必須嚴格控制。隨著工業(yè)機器人在汽車制造中的成功使用，使得機器人和激光檢測技術的結合構建了一個機器人激光檢測系統(tǒng)。
對于汽車白車身這樣的大批量制造的大型產品，怎樣有效地控制白車身的車身尺寸從而滿足顧客的要求，一直是奇瑞公司白車身質量控制的追求。自從奇瑞公司從又快又好的戰(zhàn)略轉變到又好又快的發(fā)展戰(zhàn)略,在有效地控制了白車身強度質量同時, 車身功能尺寸質量的控制被提到了空前的高度上,而機器人激光檢測技術的運用為奇瑞公司白車身尺寸質量控制提供了保證。
檢測技術的發(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發(fā)和應用，車身尺寸檢測技術就呈現(xiàn)出非接觸、高智能、高精度和高效率的發(fā)展趨勢。
自以光學坐標測量機為代表的激光測量技術的出現(xiàn)，使得汽車車身制造尺寸的100%在線檢測成為現(xiàn)實，而機器人激光在線檢測技術就能使車身焊裝過程中各種故障的檢測更為有效、快捷和準確，而且還為監(jiān)控工藝裝備的工作狀況、預報其可能故障提供了實現(xiàn)基礎。
機器人激光檢測系統(tǒng)工作原理
按照激光檢測系統(tǒng)承載方式可以分為固定式激光檢測系統(tǒng)和機器人激光檢測系統(tǒng)。固定式激光檢測系統(tǒng)和機器人檢測系統(tǒng)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法達到的部位。下面，將著重介紹機器人激光檢測系統(tǒng)。
1. 機器人激光檢測系統(tǒng)組成部分
機器人激光檢測系統(tǒng)由3部分組成，即一個機器人、一套激光檢測系統(tǒng)及一個終端數(shù)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(tǒng)為一個非接觸式三維視覺傳感器裝置組成，它由2個在45°方向對稱配置的激光傳感器和一個位于中心線上的CCD攝像機組成。激光傳感器用來檢測被測工件型面上某一點在空間的位置；攝像機用于確定工件型面上1個孔的大小和形狀（見圖2）。一般來說，3點即可確定1個圓孔,但是在檢測時為了保證孔的大小形狀可以多選取一些點,這里我們可以選取30點。對于不規(guī)則的物體通過尋找中心,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(shù)據處理系統(tǒng)由PC計算機、交換機及數(shù)據處理軟件組成。對于傳輸回來的白車身測點坐標數(shù)據,使用VECTOR數(shù)據處理軟件進行車身坐標偏差處理。圖3為終端數(shù)據處理系統(tǒng)。
圖3 終端數(shù)據處理系統(tǒng)
2. 白車身測點坐標的計算
當機器人開始測量后，按預先設定的測量路徑帶動視覺傳感器運動，依次使測點進入到傳感器的測量區(qū)域內，由視覺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(tǒng)圖
如圖4所示，機器人激光檢測系統(tǒng)中存在4個坐標系。其中包括，與機器人相關的2個坐標系，安裝機器人時確定的基坐標系統(tǒng)Ob－XbYbZb和機器人末端關節(jié)坐標系Oh－XhYhZh，還有車身坐標系Ow－XwYwZw和視覺傳感器測量坐標系Oc－XcYcZc。測量的結果即為測點P在車身坐標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P在視覺傳感器測量坐標系下的坐標值；X為機器人手眼關系，即機器人末端關節(jié)坐標系與視覺傳感器測量坐標系之間的變換關系；B為機器人末端關節(jié)坐標系與機器人基坐標系之間的坐標變換關系；Z為機器人基坐標系與白車身坐標系之間的位置變換關系。
式(1)中，由于視覺傳感器與機器人末端關節(jié)剛性連接，測量過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身坐標系的位置關系也是不變的，即值恒定，因此，通過現(xiàn)場標定可以將X和Z在測量前計算出。B可以由機器人的正向運動學模型及各個關節(jié)變量值獲得。通過以上分析，只要得到檢測點在視覺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點在車身坐標系下的坐標PW。
3. 現(xiàn)場標定
目前，對攝像機和激光視覺傳感器的標定進行了大量的研究，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檢測2次，見圖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為同一個檢測點在車身坐標系下的坐標。因此PW1＝PW2，即
B1×X×PCl=B2×X×PC2 (4)
式中：B1和B2根據機器人的運動模型是已知的；PCl和PC2是視覺傳感器的測量結果。顯然，如果控制點數(shù)大于3 個，且控制點不在同一條直線上，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(tǒng)運用
下面介紹的機器人檢測主要側重于白車身，四門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，后者需使用專用的吊架。
機器人激光檢測系統(tǒng)實際運用中涉及到測點選擇,檢測用于比較的白車身“標準件”選用，機器人激光檢測系統(tǒng)的校正功能及檢測系統(tǒng)的柔性化設計，以下將從以下方面一一闡述。
1. 白車身測點的布置原則
在車身生產過程中測量的目的是確定過程控制和不斷改進，面向車身工藝過程穩(wěn)定性控制、功能控制以及焊接過程中的故障診斷。按照測點功能的不同，可以將常見的車身測點分成3類：主要定位點檢測點、關鍵產品特征檢測點和關鍵控制特征檢測點。
（1）主要定位點檢測點布置。車身的生產過程中使用大量工裝夾具來完成對板件的定位并夾緊，確保板件在每次焊接時空間狀態(tài)保持一致，以保證車身尺寸。但是在生產過程中，定位銷及定位塊的磨損及松動導致定位基準發(fā)生變化，影響車身的尺寸。
主要定位檢測點能夠顯著反映其定位狀態(tài)，這些點的設立將有助于對由于定位或基準位置發(fā)生偏移而產生的制造偏差進行識別和診斷,例如:前/后縱梁定位孔直接影響整個車身骨架的尺寸。#p#分頁標題#e#
（2）關鍵產品特征檢測點的布置。轎車外觀形象是否符合人們的審美要求將最先確立顧客對轎車的滿意程度。關鍵產品特征檢測點最先要保證的就是影響轎車外觀形象的關鍵部位的尺寸要求，具體地講就是影響轎車整車外部型面的配合間隙及配合平整度要求。車身關鍵產品特征檢測點布置要根據整車設計時的配合規(guī)范來進行。一般來說，這些關鍵特征檢測點主要分布在車身的以下安裝點，如左/右前門安裝孔、左/右后門安裝孔、發(fā)蓋鉸鏈安裝孔及后行李箱艙蓋鉸鏈安裝孔。
（3）關鍵控制特征檢測點的布置。關鍵控制特征點是白車身檢測點中數(shù)量占絕對多數(shù)的一類點，因此，它們的合理分布可以有效地減少采樣點數(shù)，而且能正確反映工件在焊裝過程中的狀態(tài)，以便進行夾具故障識別與診斷。對每一個關鍵產品特征檢測點要相應地布置多少個關鍵控制特征檢測點，以及這些點的位置一般位于工裝難以準確定位的板件上等。這些點的確定主要依靠經驗積累，而且需要對生產實際作出分析了解。在此基礎上，根據裝配誤差積累的情況來確定它們的分布，對于累積裝配偏差大而且容易超差的區(qū)域，要多布置一些關鍵控制特征檢測點。
2. 機器人激光檢測系統(tǒng)偏差的校正
機器人激光測量采用比較測量的方式，故需要準備一個用于“置零”的標準車身進行測量比較。同時它不同于三坐標測量機“標尺”般的精準,機器人測量系統(tǒng)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行消除。
（1）機器人自校正功能。機器人進行白車身的自動焊接時，由于機器人運行產生熱量易影響到機器人的運行路線精度，而機器人本身坐標系產生的微小偏差將直接影響到測點在車身的坐標系，因此每臺探測機器人細微偏差靠現(xiàn)場溫度補償小球在機器人坐標系中的坐標偏差量來自動補償。
可編程控制程序（PLC）可以設定機器人檢測N臺份白車身骨架時對小球進行檢測,通過小球的偏差不斷調整機器人的運行狀態(tài)。考慮到金屬材料的熱變量,這里采用受熱基本上無變化的碳纖維材料的小球。
(2)標準車身的校正功能。事實上對于沖壓件、焊接件這類性質的工件，不可能制成一個很精確的標準車身,所以一般需對激光測量控制系統(tǒng)輸入偏差數(shù)據作為校正值。因此，可以將主模型進行三坐標檢測,兩者比較后給激光測量控制系統(tǒng)一個偏差值做為校正值。
3. 車身控制點的循環(huán)檢測
從成本考慮， 不可能使用過多的機器人進行檢測，由于生產節(jié)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(qū)域內所有的檢測點分批次多次檢測,做到循環(huán)檢測，這樣不但可以對所有點做到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，對于關鍵控制特征檢測點偏差數(shù)據也可以采用SPC分析出具體的故障模式。
4. 檢測數(shù)據處理分析及預警系統(tǒng)
數(shù)據分析對下一步的生產有重要作用�？梢愿鶕䦟σ呀洐z測尺寸的總體分析了解焊接過程中各環(huán)節(jié)的精度情況，可以從誤差趨勢中預測下一步的焊接精度，以便及時調整焊接工藝，防止不合格品的出現(xiàn)。機器人檢測到數(shù)據后使用VECTOR軟件進行分析得出該車在車身坐標系中的實際測量差值為F1、F2、F3……Fn，然后將該車身在實測點的相對誤差值描繪在同一坐標下，就可以了解車身相關的加工工藝的精度情況。
根據現(xiàn)場機器人激光檢測系統(tǒng)采集到的數(shù)據，以白車身上測點的采集數(shù)據為例，說明數(shù)據庫中的數(shù)據在數(shù)據分析功能中的作用。抽取連續(xù)多點的測量數(shù)據，其理論值從三坐標標準數(shù)據庫中調出“標準車”誤差數(shù)據。根據該車身在全部測點的誤差，用橫坐標表示測點編號，縱坐標表示相對理論值的誤差，繪成曲線圖。根據誤差線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(xiàn)偏差持續(xù)很大，則系統(tǒng)終端計算機給輸出相關指令，系統(tǒng)外置報警系統(tǒng)開始報警。
5. 機器人激光測量系統(tǒng)的柔性化發(fā)展
現(xiàn)代的汽車生產汽車企業(yè)，考慮到一線一車型成本較高，一般都多車性共線生產，機器人激光檢測同樣存在相同問題，不可能檢測單一車型，因此在規(guī)劃生產時盡量考慮到，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) 安裝存儲有車型轉換程序的讀寫頭及主線工位(讀取端)上安裝可以讀取車型轉換程序的讀寫頭來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現(xiàn)不同車型之間的轉換，從而達到共線生產是一種比較理想的生產組織方式。同樣，機器人激光檢測系統(tǒng)也可以利用其生產組織方式達到車型之間切換檢測的目的（見圖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，可以說機器人激光檢測系統(tǒng)完全可以取代之。可以采用輔助支架的方式，使用一臺機器人激光測量系統(tǒng)，把需要測量的車身總成件放置到輔助支架上，就可以實現(xiàn)激光測量。激光測量系統(tǒng)的高智能、高精度和高效率的優(yōu)點將是白車身總成和白車身上的分總成的測量技術的發(fā)展方向，必然是激光測量系統(tǒng)的運用代替大量的專用檢具和三坐標測量機的測量趨勢。
來源：AI汽車網
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