浅析FARO 激光跟踪仪在ARO 焊枪上的应用

毛中正，刘海潮，朱墨迪，武 扬，党 炜

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

北京奔驰（BBAC）装焊车间工艺复杂，汽车白车身制造大量使用点焊工艺，而点焊工艺主要由焊钳实现。焊钳设备数量庞大，焊钳上面的电极杆、大臂、电机等部件时常需要更换。特别是当发生碰撞时，焊枪结构会发生变化，具体表现为焊点位置发生偏移，影响焊接精度和焊接质量。通常情况下，生产现场会采用临时措施，即会对机器人轨迹进行调整，补偿焊枪的形变。但是由于机器人焊点通常偏多，同时又有多个车型需要调整。因此在焊枪发生变形后，需要耗费大量的时间恢复，对生产线影响巨大。

如何保证焊枪精度，使其与出厂尺寸一致，成为急需解决的问题。因此，在焊枪替换到线下保养时，需要对焊枪进行严格的精度校准，以保证焊枪上线就能使用，减少调整时间。为了提高对于焊枪调整的精度，避免不同人修出不同枪的情况出现。在众多大尺寸测量设备中，由于测量速度快、测量精度高和测量范围大等优点，激光跟踪测量仪得到广泛的应用。因此，通过将FARO 激光跟踪仪应用到焊枪修复中，准确测量焊枪各部件精度，保证焊枪的重复精度。

1 FARO 激光跟踪仪

激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器[1]。激光跟踪仪的基本工作原理是在目标点上放置反射器，通过人为引导，将激光跟踪头发出的激光引到反射器上，同时反射器将激光重新反射到跟踪头，当目标移动时，跟踪头会自动调整光束方向来对准目标[2]。检测系统通过接收反射回来的激光测算目标的空间位置。简单地说，激光跟踪仪可静态或动态地跟踪一个在空中运动的点，由此测算目标在空间中的三维坐标[3]。

FARO 激光跟踪仪主要由激光跟踪仪头、主控单元（MCR）、光学靶球（SMR）、主控电缆、温度传感器、以太网线、便携式三脚架、快速安装卡盘、遥控器等硬件组成，激光跟踪仪系统组成如图1 所示。同时还需要配置好的专属测量软件，如果测量某些设备的三维坐标，那还需要导入该设备的三维模型。FARO 激光跟踪仪具有操作简单、聚光稳定性好，无干涉、使用寿命长、反应时间短、测量效率高、可以多场合使用等特点[4-5]。

图1 激光跟踪仪系统组成

2 ARO 自动焊枪

2.1 ARO 焊枪系统组成

ARO 焊枪是一种在白车身自动化生产线上应用非常广泛的设备，其具有设备简单、稳定性好，使用寿命长等特点[6]。ARO 焊钳系统组成如图2 所示，一套完整的机器人自动焊接系统需要包括如下几个部件：焊接电源柜、机器人电源柜、外部控制电源柜、机器人控制柜，焊控柜、机器人、焊枪以及部分配属的部件。

图2 ARO 焊钳系统组成

2.2 ARO 焊枪基本结构

ARO 自动焊钳主要有两大类，C 形钳和X形钳，可以满足绝大部分白车身焊接需要。ARO 焊枪主要由电机、变压器、大臂、电极杆、枪架以及法兰连接板组成，ARO 焊钳基本结构如图3 所示。众所周知，影响焊枪焊接精度的是其TCP 点，即静臂电机帽中心，如图3 右侧所示。同时，焊枪坐标原点位于其安装法兰中心，如图3 右侧所示。

图3 ARO 焊钳基本结构

3 ARO 焊枪三坐标测量流程

在所有FARO 激光跟踪仪部件齐备的情况下，需要按照标准流程将激光跟踪仪测试系统搭建起来，即将激光跟踪仪头固定在三脚架上，通过主控线缆、网线等将各部件连接在一起。其次需要将待测量的ARO 焊枪固定在测量平台上，其中需要特别注意将ARO 焊枪的法兰安装到易测量位置。然后是预热及校准激光跟踪仪，利用软件导入焊枪三维模型，建立焊枪坐标系。最后确定测量点，通过测量仪测出实际值并与理论值进行对比。

3.1 ARO 焊枪模型导入

搭建好测量平台后，预热FARO 测量仪，打开测量软件（CAM2 Measure 10），在首页栏选择“导入CAD”，将所需测量的焊钳数模导入。CAM2 Measure 10 可以导入x_t、IGS、VDA、STP 四种格式文件，需要提前转换好格式，FARO 激光跟踪仪测量ARO 焊钳平台如图4 所示。

图4 FARO 激光跟踪仪测量ARO 焊钳平台

3.2 建立坐标系

为焊钳建立坐标，并将焊钳的坐标与全局坐标对齐，这样就可以达到实际焊钳与数模一比一对照的目的。ARO 焊钳实际的坐标系位于其法兰盘连接处，因此需要通过测量多个面，然后通过面相交的方式创建坐标系。下面介绍详细流程：首先，需要测量3 个图形，分别是焊钳支架上的圆柱体、焊钳法兰Base板的两个相垂直的侧面。ARO 焊钳坐标系建立如图5 所示，分别为圆柱体和两个平面实际测量结果。

图5 ARO 焊钳坐标系建立

采集完一个圆柱、两个平面后，需要通过“构造”功能生成直线和圆。即通过圆柱体和平面相交生成圆，通过两个平面相交生成两条直线。接下来需要通过对齐功能用法兰圆、直线X、Y 来建立坐标系。如此，焊枪的坐标系就创建完成，并且与实际一致。

3.3 选择测量点

最后一步是选择需要测量的点，焊枪TCP 点为静臂电极杆上的电极帽断面中央。因此，只需要在三维模型中选择TCP 点，激光测量仪的红外线就会精确的照射到理论位置。通过对比实物和红外线光点的偏差，即可知道焊枪精度是否准确。ARO 焊钳TCP 测量点如图6 所示，ARO 焊钳实际TCP 点和三维图TCP 测量点对比。

图6 ARO 焊钳TCP 测量点

4 ARO 实际测量

通过CAM2 Measure 10 测量软件可以将测量报告导出，ARO 焊钳实际测量数据如图7 所示。报告中可以看出TCP 实际值和理论值。更重要的是，软件可以自动算出实际值与理论值的偏差，并评判是否在公差范围内。

图7 ARO 焊钳实际测量数据

5 结束语

自动焊钳是汽车白车身制造中应用最为广泛的设备，本文将FARO 激光跟踪仪引入到焊钳TCP 测量中来，实现焊钳TCP的高精度测量，保证焊钳的重复装配精度，同时也为焊钳线下返修提供新的解决方案。