基于机器人的在线检测技术在车身焊接制造中的应用

冉启洪 汤艳刚 齐瑞霞 张朝霞

【摘 要】随着消费者对汽车质量的要求越来越高，汽车制造厂商开始对汽车制造的质量越来越重视。白车身的精度是汽车制造过程较关键的因素，文章介绍了基于机器人的车身焊接质量在线检测技术，阐述了系统的组成、检测原理及流程，以及在线检测的优点等，并通过实际检测对象验证了在线监测技术的可行性。在线检测技术在车身焊接生产线中的应用，能够提高白车身焊接质量的稳定性，可实现100%在线检测和实时监测，为测点分布优化和工艺改进提供了依据，符合现代化制造的要求。

【关键词】白车身；在线检测技术；实时监测；误差分析

【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）08-0037-04

白车身（Body-in-White，BIW）通常是指尚未装配门盖和发动机罩的未涂装的车身基本骨架，有时也泛指尚未进入涂装和内饰件总装阶段之前的车身。它是轿车的动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰等轿车子系统的载体，是轿车动力性、舒适性、平顺性等轿车性能的载体，是轿车外在形象、外观质量的载体[1]。随着国内汽车市场竞争的日趋激烈，白车身的尺寸要求变得越来越高，在扩大生产规模和加快生产节拍的同时，如何控制好车身尺寸是国内各汽车厂家面临的挑战[2-3]。目前，国内许多的汽车厂家对于整车的外观质量的评价和控制采取了一些策略，一种方法是采用AUDIT打分、PDI客户评价等主管方法进行抽样评价，这种方法直接模拟最终用户的感知[4]，但不同的人群存在主观差异，该方法不利于提高汽车的质量；另一种方法是汽车厂家，如“一汽”“东风”“奇瑞”等多采用检验样架和三坐标测量系统等对车身的尺寸进行检测[5]，由于其具有较高的精度、测量结果直观、可读性较高等优点，使其广泛应用于车身焊接质量进行抽样离线的测量和监测中，但由于其测量时间较长，需抽样离线检测，反应速度慢等缺点使得其测量效率低、耗时长，不能对焊接质量做到实时监控，逐渐不能满足现代汽车的生产节奏。

某国产汽车品牌的白车身采用了焊接自动化生产线，具有自动化率高、焊接质量稳定等优点，白车身的零部件、各分总成等均采用自动化夹具和机器人自动完成焊接，并在生产线的末端工位布置有机器人激光在线检测系统，能够实现对白车身焊接质量的100%实时在线检测和很好地控制白车身焊接质量的稳定性。

1 在线检测系统的组成

该检测系统为全自动检测系统，完成对系统的调试和机器人的示教后，整个工作过程为自动完成对白车身关键特征点的信号采集。系统包括硬件和软件2个部分，其中硬件部分由4台Kawasaki系列工业机器人、4台Perceptron系列线结构光视觉传感器、测量控制柜、机器人控制柜、测量计算机、温度补偿标准球（1台机器人对应2个标准球，左右各1个，一高一低）和安全光栅等组成；软件部分由测量控制软件、温度补偿软件和数据查询与分析软件等组成。4台检测机器人均匀地布置在生产线左右两侧。其具体布局与组成如图1所示。

1.1 系统性能参数

该在线检测系统选用的视觉传感器是基于单摄像机的Perceptron系列线结构光视觉传感器，传感器安装在工业机器人末端，工作时由机器人带动传感器运动，实现对被测特征的测量，传感器的结构紧凑，测量机器人工作时灵活、高效，其工作状态和传感器具体结构如图2所示。系统性能参数如下。

（1）系统工作性能：測量系统测量精度为0.21 mm，生产节拍为60 s/台，单点测量时间为3 s（含机器人移动时间），整个测量周期为39 s。

（2）视觉传感器参数：测量精度为±0.05 mm，工作距离为100 mm，单点测量时间为0.5 s（不含机器人移动时间）。

（3）工业机器人参数：测量精度为±0.1 mm，测点之间机器人移动时间为2.5 s。

（4）使用环境参数：环境的温度为-5～45 ℃，相对湿度为59%～87%，单相交流电为220 V±10%，50 Hz±0.5 Hz。

1.2 测量原理

在线检测系统测量的特征对象包括平面、边缘、内外棱、销钉、孔、槽和多边形等，以特征孔为例，传感器的测量原理如图3所示。系统工作时，传感器会向测量对象投射出2种光源：LED发出的平面光和激光发射器发出的线结构光。其中，LED光投射到测量对象的平面上，工业相机拍摄该对象的轮廓，然后经过计算机处理获得的图像信息得到测量结果，在车身坐标系下定义为X、Y向的坐标；线激光投射至特征对象，是为了获得测量对象在空间的位置，在车身坐标系下定义为Z向的坐标。

以被测点P为例，被测点P的测量结果为车身坐标系下的坐标，而传感器测量出点P的坐标为传感器坐标系中的坐标，需要经过多个坐标变换将传感器坐标系下P点的坐标转换到车身坐标系下的坐标，其具体变换过程如下：传感器坐标系→机器人末端坐标系→机器人基坐标系→车身坐标系，完成被测点P的测量。

1.3 测量工作流程

白车身在传输滑橇上由高速滚床传输至检测工位，夹具自动完成定位和夹紧后，控制器将“开始检测”信号发送给检测系统，检测系统控制器将“车型”和“检测开始”信号发送给检测机器人，机器人接收到该信号后开始工作，带动视觉传感器通过标定的轨迹到达测点位置，到达测点位置后，视觉传感器开始测量并记录数据，并将该图像信息传递给计算机上的数据分析软件进行数据处理，测量完成后测量控制器发送“测量完成”信号给检测系统，机器人收到该信号后向下一个测点运动，至此便完成了一个测点的檢测。检测系统通过以上单个测点的检测流程的重复工作便完成了整个被测特征点100%的在线检测，通过计算机判断测量的结果，对生产线发出继续生产、报警或停线的指令。现场的工作人员可通过观察结果了解该阶段车身的焊接质量、分析问题的原因并及时做出调整。在线检测系统工作流程如图4所示。

2 在线检测技术的应用

2.1 数据分析

在线检测系统完成搭建后，经过多次的调试和示教，目前该系统工作稳定，已能够对4种车型进行柔性检测，一旦测量数据超过允许的范围，系统便立即报警。经过一段时间的生产，车身的焊接质量明显提升，生产线的停线率明显降低。该检测系统配套有专业的数据分析软件，传感器完成数据采集后由分析软件完成对数据的处理和输出，其操作界面如图5所示，包括菜单栏、工具栏、工作状态和车型信息栏及工作栏等。

下面以某一车型为例说明在线监测系统的应用。该车型的生产节拍为60辆/h，车身的测点个数为200个，测点包括基准孔和安装孔89个，基准面和外观匹配面111个，采集其一段时间内的检测数据。在操作界面中，从工作栏可以查看测点分布外，还能查看测量的偏差，其结果均以图形和数字的形式直观地显示在工作栏中。

技术人员除了可实时、直观地在工作栏查看到车型的测点分布和尺寸偏差外，测点的尺寸偏差和尺寸极限差还能以不同的数据和图形形式显示在软件操作界面（如图6所示）。从尺寸偏差的数据结果显示可知，偏差的波动较大，说明此时生产线上的某一工位的生产出现不稳定因素，技术人员需及时分析其原因并解决该问题；从尺寸极限差的数据结果显示可知，该段检测时间内，生产线的焊接质量较稳定，技术人员只需实时监测，一旦发现问题便可立即处理。

2.2 在线检测技术的优点

（1）测量数据可视性。在线检测系统具有实时性、测量效率高等优点，测量结果以图表、曲线显示在计算机上。测点位置和区域在屏幕上以图形的形式显示，且显示测点名称及其公差值、偏差、CP/CPK值等，偏差分颜色显示，其中绿色表示正常，黄色表示警告，红色表示误差超过允许范围。通过该系统可以及时地发现问题，降低车身焊接的返修率和报废率。

（2）测量数据可关联性。测量结果除了会保存在现场数据服务器之外，还会保存至中央数据服务器上，技术人员在各自办公室可通过局域网随时远程监控、分析测量数据，以实时监测白车身的焊接质量。

（3）测量数据可分析性。历史数据按月、年存储在服务器中，技术人员可随时查看历史数据和当前数据，在线检测系统可实现白车身检测数据的实时分析。测量历史数据能够反映一段时间内车身焊接质量的规律，技术人员可通过对该时间段内的历史数据产生的规律进行客观分析，对夹具、生产工艺和模具等技术参数做出调整，提高车身焊接的精度。

3 结论

在线检测技术具有实时性、测量效率高和测量结果直观等优点，配合检验样架和三坐标测量系统的使用，能够有效地减少或避免由于车身尺寸问题对生产线其他工位造成停线或影响后续装配等问题。该国产汽车品牌采取在线检测系统对车身焊接质量进行测量，车身焊接质量的稳定性明显提高，因焊接质量造成的停线和后续工位装配困难的问题也明显减少。在今后的使用过程中，通过对测点的位置分布、检测频率和技术工艺的优化，可以更好地利用该技术，以提高车身焊接的精度，进而提高自我的品牌价值和市场价值。

参 考 文 献

[1]施成攀.汽车白车身拼焊尺寸偏差分析与研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2010.

[2]张扬明.基于质量偏差分离的白车身在线检测数据分析与应用[D].上海：上海交通大学，2005.

[3]来新民，林忠钦.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程，2000（11）：1215-1220.

[4]李占利，年雪山.浅谈车门与白车身尺寸匹配控制方法

[J].汽车制造业，2012（21）：64-66.

[5]來新民，林忠欽.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程，2000（11）：1215-1220.

[责任编辑：钟声贤]