激光在線測量在白車身生產(chǎn)過程中的規(guī)劃與應(yīng)用

馬曉紅,羅鳳平,王地川

(寧波吉利研究開發(fā)有限公司長興分公司,浙江湖洲 313000)

0 引言

激光在線測量是一種新興測量方法，它采用激光、視覺傳感器、圖形處理及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對整車或分總成在線、實(shí)時、非接觸式精確測量。激光在線測量技術(shù)突破了傳統(tǒng)三坐標(biāo)離線抽樣檢測的限制，能夠在線實(shí)時監(jiān)控白車身尺寸波動，為生產(chǎn)過程改進(jìn)提供測量依據(jù)。

1 激光在線測量的特點(diǎn)及優(yōu)勢

激光在線測量主要有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢：

(1)對白車身100%實(shí)時測量。反應(yīng)速度快，能夠自動分析生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，時刻掌握白車身過程質(zhì)量變化趨勢;

(2)對環(huán)境要求低。能夠適應(yīng)車間生產(chǎn)環(huán)境，且是一種非接觸性測量，無須接觸白車身，不會對白車身外觀造成損傷；

(3)測量效率高。3 s完成一個測點(diǎn)，2 min可完成一次白車身測量，測量過程能夠兼顧生產(chǎn)；

(4)柔性高?？梢酝ㄟ^編程實(shí)現(xiàn)多車型柔性化共線檢測需求(6車型以上)；

(5)可實(shí)現(xiàn)報警信息實(shí)時推送。便于工程師及時掌握白車身數(shù)據(jù)異常情況，并采取應(yīng)對措施。

此外，在線測量還有一個顯著的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r獲得足夠多的數(shù)據(jù)樣本。三坐標(biāo)測量雖然精度高，但測量頻次低，一般1臺/天，抽樣概率約為1/300,樣本量小、統(tǒng)計(jì)能力弱、存在滯后性，無法代表生產(chǎn)線狀態(tài)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，只有在大樣本量、準(zhǔn)確實(shí)時的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的尺寸偏差分析，才能有效地控制、保證白車身尺寸精度。

2 在線測量在白車身生產(chǎn)過程中的規(guī)劃

某整車廠在進(jìn)行激光在線測量設(shè)備規(guī)劃時，增加了如下幾項(xiàng)優(yōu)化，以提高在線測量的實(shí)用性，充分發(fā)揮激光在線測量技術(shù)的優(yōu)勢。

2.1 分組測量

某整車廠規(guī)劃激光在線測量設(shè)備時，對在線測量工位進(jìn)行了分組測量[3]，總計(jì)設(shè)置7條測量程序，共210個單點(diǎn)測量：即A+Bi(i=1～7)。如圖1所示，其中A組為固定組測點(diǎn)，主要是對白車身工序的監(jiān)控;Bi組為浮動組測點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、測點(diǎn)區(qū)域、測點(diǎn)關(guān)系、局部坐標(biāo)系及問題發(fā)生頻次等因素進(jìn)行劃分。每組測點(diǎn)可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活調(diào)整測量頻次。

圖1 分組測量

測點(diǎn)分組的優(yōu)勢：(1)可以增加被測點(diǎn)的數(shù)量，由傳統(tǒng)的一組測點(diǎn)程序，約100個單點(diǎn)，可以增加至200多個單點(diǎn)，甚至更多；(2)可以根據(jù)工廠生產(chǎn)節(jié)拍、車型需求、產(chǎn)能變化，靈活調(diào)整測點(diǎn)程序及頻次；(3)可以有針對性地對某個區(qū)域進(jìn)行調(diào)研，節(jié)省測量工時及測量資源。

2.2 建立局部坐標(biāo)系

一般情況下，在線測量的測點(diǎn)是基于整車坐標(biāo)系下建系的，激光在線測量只對單點(diǎn)或兩點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行評價，某些情況下與總裝裝車狀態(tài)無法對應(yīng)，導(dǎo)致缺陷車流入總裝。針對這一問題，某整車廠規(guī)劃了將測點(diǎn)分組按功能區(qū)域分配，以實(shí)現(xiàn)局部基準(zhǔn)下的功能尺寸測量[2]，從而提高測量準(zhǔn)確性，與總裝缺陷強(qiáng)相關(guān)。

例如，對于白車身后門區(qū)域，將后門所有測點(diǎn)放在一個浮動組，在線測量軟件將后門局部基準(zhǔn)點(diǎn)挑出，進(jìn)行擬合建立后門局部坐標(biāo)系，在后門局部坐標(biāo)系里重新評價后門間隙面差測點(diǎn)。

2.3 臺車狀態(tài)監(jiān)控

白車身一般使用滑橇輸送，白車身進(jìn)行在線測量時滑橇脫離，用工位內(nèi)的固定夾具定位白車身。由于某主機(jī)廠生產(chǎn)節(jié)拍較高，在焊裝線體規(guī)劃了臺車輸送白車身。臺車是帶電器元件的定位夾具，跟隨白車身在不同工位移動，在線測量時臺車不脫離白車身，臺車定位在滾床上，白車身定位在臺車上。

由于增加了臺車在滾床上的定位因素影響，不同臺車之間存在精度差異，且臺車在實(shí)際運(yùn)行過程中會經(jīng)歷撞擊、磨損、變形、車型切換等因素影響，也會對精度有影響，因此，某主機(jī)廠在線測量工位規(guī)劃了與臺車尺寸狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)的測點(diǎn)，以及能讀取白車身VIN碼和臺車編號的RFID設(shè)備，來監(jiān)控不同臺車之間的精度差異。

如圖2所示，在白車身下部硬點(diǎn)附近，設(shè)置4個測點(diǎn)，與臺車的定位狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)，使用在線測量這4個點(diǎn)，獲取樣本數(shù)據(jù)，按照臺車編號對數(shù)據(jù)排序，可以發(fā)現(xiàn)不同臺車之間的差異，從而鎖定問題臺車，將問題臺車下線到臺車檢具上，進(jìn)行測量、核實(shí)尺寸偏差，并對其進(jìn)行返修調(diào)整，以保證臺車之間的一致性。大大縮短了問題臺車排查循環(huán)周期。

圖2 在線測量與臺車強(qiáng)相關(guān)點(diǎn)

2.4 建立過程報警模式

SPC過程報警模式如圖3所示。

圖3 SPC過程報警模式

一般情況下，在線測量設(shè)置的報警監(jiān)控線只對超出監(jiān)控線范圍的測點(diǎn)進(jìn)行報警，即只能進(jìn)行產(chǎn)品報警，而沒有生產(chǎn)過程報警。產(chǎn)品報警的目的是防止缺陷產(chǎn)品流到生產(chǎn)下游，而過程報警主要是監(jiān)控生產(chǎn)過程的變化，二者需要相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控。

過程報警是以統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)的8種變異規(guī)則來設(shè)置報警條件，8種變異規(guī)則的原理是：“小概率事件原理”，即小概率事件發(fā)生可以認(rèn)為生產(chǎn)過程有異常變化[1]。導(dǎo)致不同種類的變異原因是不相同的，因此可以通過過程報警的種類進(jìn)行初步推斷變異原因，如圖3所示，根據(jù)初步原因鎖定方向，做現(xiàn)場調(diào)查，確定根本原因。

某整車廠在線測量系統(tǒng)在規(guī)劃產(chǎn)品報警的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化軟件增加了過程報警(不停線)，按天導(dǎo)出過程報警報告，通過分析變異報告的測量數(shù)據(jù)，對還未發(fā)生的問題提前預(yù)防；同時在線測量軟件也可以對缺陷原因進(jìn)行自動分類，例如定位銷或工裝松動磨損、零件批次差異、人員操作或技能差異、新材料新工藝使用等。通過對缺陷原因進(jìn)行初步分類，指導(dǎo)現(xiàn)場問題分析方向，提高缺陷分析效率，將問題驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動[4]。

2.5 導(dǎo)出CII報告監(jiān)控白車身穩(wěn)定性

CII(Continuous Improvement Indicator)指數(shù)是白車身制造穩(wěn)定性評價的一個重要指標(biāo)，它將白車身測點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本的6σ(標(biāo)準(zhǔn)差)由小到大進(jìn)行排列,選取第95%的6σ值,作為白車身制造質(zhì)量的評價指標(biāo)，CII指數(shù)越大說明白車身制造穩(wěn)定性越差[5]，因此CII指數(shù)能夠代表企業(yè)的制造水平。近年來，歐美、日本汽車廠的CII指數(shù)一般能做到2 mm之內(nèi)(2 mm工程)。

CII指數(shù)的另外一個作用是通過找出CII指數(shù)最差5%的點(diǎn)，通過一輪一輪地持續(xù)優(yōu)化最差5%的點(diǎn)，達(dá)到不斷提高白車身制造穩(wěn)定性的目的。

由于三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)樣本量少，反應(yīng)周期長，某整車廠規(guī)劃了利用在線測量的關(guān)鍵測點(diǎn)來統(tǒng)計(jì)CII指標(biāo)。利用在線測量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并按天導(dǎo)出CII報告，對CII指標(biāo)最差5%的點(diǎn)持續(xù)改善，最終達(dá)到提高白車身制造穩(wěn)定性的目的。

2.6 在線測量數(shù)據(jù)與CM4D數(shù)據(jù)共享

一般來說，在線測量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)自動共享，某整車廠在三坐標(biāo)測量(CMM)辦公室內(nèi)配置一套支持6個工位的在線測量中央數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)自動抓取三坐標(biāo)共享平臺的測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行自動數(shù)據(jù)分析處理，可直接導(dǎo)出在線測量與三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)相關(guān)性比對、offset、標(biāo)準(zhǔn)差分析等結(jié)果，大大降低了人工處理數(shù)據(jù)工時。

此外，在線測量數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出DMO測量文件到CMM數(shù)據(jù)共享平臺上，CM4D軟件對其DMO測量文件進(jìn)行抓取，實(shí)現(xiàn)與沖壓單件、外購件、三坐標(biāo)測量、DTS測量、Cubing等測量數(shù)據(jù)的整合，通過CM4D軟件對各類測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成一條全面的數(shù)據(jù)分析鏈，能夠更加便捷、直觀地分析單件、各級分總成及整車尺寸狀態(tài)。

3 在線測量在規(guī)劃中需要注意的問題

3.1 設(shè)備持續(xù)維護(hù)

激光在線測量的測量精度沒有三坐標(biāo)測量系統(tǒng)高，而且對被檢測零件特征的穩(wěn)定性要求較高。由于受人機(jī)料法環(huán)測等多種因素的影響，包括夾具調(diào)試、白車身波動、零件變更、臺車狀態(tài)等，導(dǎo)致在線測量結(jié)果不穩(wěn)定、中值變化，且在線測量系統(tǒng)無法對其測量結(jié)果進(jìn)行自矯正，因此在線測量需要配合三坐標(biāo)測量系統(tǒng)使用，其可靠性需依靠三坐標(biāo)進(jìn)行定期矯正。通過動靜態(tài)測試、三坐標(biāo)相關(guān)性對比，持續(xù)優(yōu)化在線測量的offset值、測點(diǎn)參數(shù)、算法處理等因素，來保證在線測量穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。因此需要根據(jù)整車廠的產(chǎn)能節(jié)拍定制標(biāo)準(zhǔn)化、周期性調(diào)試及持續(xù)維護(hù)流程。

3.2 工位減震處理

由于在線測量工位設(shè)置在焊裝車間廠內(nèi)，焊裝白車身生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的震動，對測量精度可靠性有一定的影響，因此需要對在線測量工位做特殊的處理，在測量基礎(chǔ)外增加一層10～20 mm厚的減震纖維板，給在線測量設(shè)備提供減震作用。

3.3 遮光處理

由于激光在線測量是非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)，它利用激光發(fā)射器的反射光在屏幕上成像的位置來獲取被測物在空間的位置，如果存在其他外部光源將會影響測量的可靠性，如太陽直射或折射、廠房內(nèi)照明等，因此需要做好遮光處理才能保證在線測量的可靠性，一般采用有色亞克力板作為工位防護(hù)房來起到遮光作用，如圖4所示。

圖4 激光在線測量防護(hù)房

3.4 機(jī)器人溫度補(bǔ)償

實(shí)踐證明，機(jī)器人的內(nèi)部和外部溫度波動會引起機(jī)器人位置產(chǎn)生漂移，如圖5所示，溫度變化主要包括兩個方面：(1)機(jī)器人自身的運(yùn)動發(fā)熱，如電機(jī)散熱、齒輪等機(jī)械構(gòu)件相對運(yùn)動摩擦生熱；(2)環(huán)境溫度也會影響到機(jī)器人自身的熱平衡狀態(tài)。通過在工位設(shè)置修正基準(zhǔn)(基準(zhǔn)溫補(bǔ)球)來修正機(jī)器人的位置漂移誤差，機(jī)器人每完成一個測量循環(huán)后對修正基準(zhǔn)進(jìn)行測量，實(shí)時修正溫度變化引起的位置漂移誤差，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 溫度補(bǔ)償對比

修正基準(zhǔn)一般使用對溫度變化不敏感的材料，熱穩(wěn)定性良好，因此要選用熱膨脹系數(shù)較小的材料。目前規(guī)劃選用的基體材料是碳化硅，基準(zhǔn)球排列分布著若干個直徑為14 mm的基準(zhǔn)孔，如圖6所示。

圖6 溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)球

在線測量工位有4個機(jī)器人，共規(guī)劃高低8個溫補(bǔ)球，每個機(jī)器人設(shè)置一高一低兩個基準(zhǔn)球，高低搭配的目的是使機(jī)器人的6個軸都能完成充分的姿態(tài)校核。

4 結(jié)束語

近年來，隨著國內(nèi)汽車制造技術(shù)的進(jìn)步，在線測量技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢已逐漸被國內(nèi)各大主流主機(jī)廠應(yīng)用于汽車關(guān)鍵區(qū)域的尺寸檢測。

但是，目前在線測量技術(shù)還存在一定的局限性，如維護(hù)困難、圖形處理技術(shù)、參數(shù)計(jì)算方法等方面還有待提高。隨著在線測量技術(shù)的發(fā)展和成熟，在線測量技術(shù)或?qū)⒊蔀闄z測的新方向和大趨勢。未來它有可能替代三坐標(biāo)、由單工位檢測發(fā)展為整條生產(chǎn)線檢測、實(shí)現(xiàn)整車零件及分總成自動最優(yōu)匹配等。