汽车车身激光在线检测技术的运用

机器人激光在线检测在奇瑞A3焊装线的应用介绍摘要汽车制造过程中，要严格控制车身尺寸，那么尺寸的检测和控制方式就显得尤为关键。目前，普遍使用的有：离线的三坐标测量、Cubing模型、检具、在线的机器人激光在线检测等方法，离线和在线测量相结合能更好的控制车身尺寸。奇瑞公司主打、战略转型的A3车型，焊装就采用了COMAU设计、制造的全自动化生产线且采用激光在线检测，对车身240多个特性就行100%测量，此项技术是在自主品牌汽车中首次应用，为A3良好的性能奠定了基础。关键词激光检测三坐标测量机器人数据分析1前言汽车制造过程中，车身最重要的两个质量特性是：车身尺寸和车身强度。对车身尺寸的检测和控制方法主要有三坐标测量、Cubing模型、检具、机器人激光在线检测，各种测量方法都存在利与弊，不能对车身尺寸进行完美控制，所以必须采用综合的测量方法。奇瑞“十年磨一砺”的主打、战略车型A3，经历过开创性的“十万公里连续不间断公开测试”、“突破性的通过C-NCAP五星安全测试”，被评为“自主品牌汽车杰出品质代表”。良好的综合性能，尤其是安全性和舒适性，与奇瑞公司着力打造精品车身是分不开的。A3的优秀品质，在设计、规划、工艺、制造等投入大量人力、物力和先进技术换来的。A3在焊装车间车身制造过程中采用了全自动主线，车身下部底盘和车身骨架拼装全部采用自动化夹具和机器人焊接，并在线末采用了机器人激光在线检测。由于A3自动化生产线是有COMAU公司负责设计、制造、调试，所有机器人全部是意大利COMAU机器人，主要有NH1和NH3型号，主拼夹具采用的是COMAU公司独有OPENGATE结构，很好的保证了车身尺寸。本文结合奇瑞A3焊装COMAU自动化生产线，对机器人激光在线检测的应用控制做简单介绍。2机器人激光在线检测的组成系统常见的机器人激光检测系统主要有机器人系统、检测报警控制系统、激光测量系统、数据分析系统、远程监控系统等五大部分组成，图1是系统组成示意图。图1机器人激光检测系统图功能实现过程概述：根据预先制定好测量点和测量特性，机器人载着激光测量头按调试好轨迹进行逐点测量，测量数据通过网络线传递到测量控制器系统中，数据分析系统对实测数据按照工艺控制进行分析判断，根据判断结果，对生产线发出继续生产、报警或停机指令，整个生产线的控制、生产全部有生产线PLC、传感器等软硬件组成的控制系统进行循环控制，图2为现场使用实景图。图2激光在线检测实景图3机器人激光在线检测系统的功能应用3.1机器人系统奇瑞A3使用的是COMAU六轴高精度机器人，它完成激光检测的所有动力功能，机器人控制系统利用其程序多、硬件灵活来实现柔性化检测，A3线就是A3两厢、三厢两车型的柔性检测。机器人系统主要包括三部分：第一、控制部分：完成数据的运算、程序的运行、信号的转化等控制功能；第二、工作部分：完成测量点数据的探测、采集和传输等终端操作功能；第三、机器人本体：实现运动的传递、轨迹的行走、承载工作部分等动作功能，图3为现场使用机器图。图3现场使用机器人图在采用机器人进行白车身自动焊接时，由于机器人运行产生热量易影响到机器人的运行路线精度。而机器人本身坐标系产生的微小偏差将直接影响到测点在车身的坐标系，因此每台测量机器人的细微偏差靠现场温度补偿小球在机器人坐标系中的坐标偏差量来自动补偿。根据温度的变化或工艺的不同要求，可编程控制程序(PLC)可以设定机器人检测一定数量白车身骨架时，A3检测数量标准冬夏季是150台份、春秋季300台份，对标准小球进行检测，通过小球的偏差不断调整机器人的运行状态。考虑到金属材料的热变量,这里采用受热基本上无变化的碳纤维材料的小球。见图4图4温度补偿小球3.2激光测量系统激光检测系统为一个非接触式三维视觉传感器装置组成，它由2个在45°方向对称配置的激光传感器和一个位于中心线上的CCD摄像机组成。激光传感器用来检测被测工件型面上某一点在空间的位置;摄像机用于确定工件型面上一个孔的大小和形状〔见图5〕。一般来说三点即可确定一个圆孔,但是在检测时为了保证孔的大小形状可以多选取一些点,这里我们可以选取30点。对于不规则的物体通过寻找中心,特征边或角从而确定物体的形状。终端数据处理系统由PC计算机,交换机及数据处理软件组成。对于传输回来的白车身测点坐标数据,使用VECTOR数据处理软件进行车身坐标偏差处理。图6为终端数据处理系统示意图，图7为测量系统现场使用图。面光源面光源线光源特征点图5激光检测示意图图6终端数据处理系统图7现场测量图3.3检测报警控制系统激光在线检测的主要目的是监控车身制造尺寸的情况，对不合格的车身进行生产控制。在A3生产线，COMAU公司很好的实现了控制报警功能，有蜂鸣器、闪关灯的声光报警，还可以根据生产的不同时期、不同的产品质量状态、工艺技术水平、尺寸预分析状态可以随意设置报警数值、报警参数，如下表：应用时期或点特性控制要求生产线状态新产品调试期测量点增加、小于理论公差严格控制随时报警/停线固化不稳定尺寸点对设计结构不稳定工艺无法弥补进行放宽控制记录信息不停线SPC分析数据对合格但不稳定进行预警界面提示不停线关键尺寸点不允许超理论值随时报警/停线测量过程进行时关键点不允许超差随时报警/停线非关键点连续十次不合格随时报警/停线测量车完成后关键点不允许超差报警/停线非关键点连续十次不合格报警/停线测量车测量点不合格数比例为15%报警/停线短期监控测量点工艺要求、实际情况要求而定记录信息不停线评价方法功能尺寸测量中或测量后与一点超差控制/不合格比例控制任意组成要求随时报警/停线报警/停线连续稳定点连续一定周期/车辆数稳定减少频次或取消界面提醒随意更改控制上下限根据产品状态工艺要求而定注：表格中不代表全部设置功能A3生产线对于故障和报警的复位进行了非常人性化的界面设置，报警功能的启动和禁止与生产线的匹配进行了多程序控制，通过切换按钮可以随时切换，以便于生产应急。但对于控制测量点的上下限值的修改、测量点的增加和删除进行了权限设置，保证系统的正常工作。3.4数据分析系统奇瑞A3自动化生产线中使用的激光测量系统，其数据分析功能非常强大，安装的SPC分析软件，能满足车身尺寸的过程统计分析。此系统很好的与检测报警系统结合起来，完成生产线科学灵活的控制。在此分析系统中，它主要有四种控制工具：主因素分析：主要分析测量点的变化方式，见下图8；图8主因素分析图多关联趋势分析：对比不同时间、路径情况下的方差和便准偏差，见下图9；图9多关联趋势分析图上下关联分析：从数据趋势中分析尺寸偏差，见下图10；实验设计：通过修改一些变量和条件来验证对结果的影响，见下图11；图10上下关联分析图11实验设计根据现场工艺要求，可以采用适合的方法分析。日常使用中，工程技术人员对现场测量的数据进行分析、处理。通过不断的分析总结，可以调整检测点的控制公差、测点位置，也可以预测车身质量、工装夹具的状态，为现场问题的解决提供数据支持。3.5远程监控系统A3生产线机器人激光检测是在线测量，为了便于工程技术人员随时对对尺寸变化的监控、数据的分析和修改，在线检测系统纳入了三坐标测量系统的局域网管理。通过局域网可以下载数据、数据处理以及导出检测报告。由于在线检测和三坐标测量同一个局域网，技术人员可以随时和三坐标数据进行对比，除了监控生产线生产的车身尺寸之外，还能对机器人在线测量系统的稳定性进行监控。4激光在线检测、Cubing和三坐标测量技术在A3品质控制中的运用奇瑞A3精品车身制造过程中，车身尺寸控制方面使用了传统的检具、三坐标与先进的激光在线检测、Cubing等测量设备和测量技术相结合。传统的检具用来进行四门、前后盖的制造过程尺寸监控，保证四门、前后盖状态的稳定性，满足四门、前后盖的匹配。工程技术人员通过对数据的分析，可以推断工装夹具、冲压件、现场操作的稳定性，检具使用现场见下图12；三坐标测量主要用于日常的质量提升、为车身尺寸“2mm工程”做技术硬件支持。A3制造过程中，三坐标的测量频次为100台份，测量特性多达950多个，全面的监控了整个车身功能尺寸点的稳定性，三坐标使用现场如下图13；Cubing技术根据整车外观尺寸1︰1的比例加工制造，把整车外观件做成模块化，拆装方便，主要用于外观匹配的改善和提升，外观件主要包括：前后门、前后盖、前后保、前后大灯等，运用Cubing能迅速的解决外观匹配的问题。在标准尺寸的Cubing上，工程技术人员定期进行外观匹配，能对四门、前后盖等外观件的关联匹配、车身骨架上外观件安装点的稳定进行监控，实现外观质量的全面控制，现场如下图14；激光在线检测用于车身制造过程中100%的测量，实现过程控制。它主要完成前后风窗、四门门洞、底盘定位装配孔的测量。通常对这些点的测量监控，保证了整车的前后风挡玻璃的配合外观、四门匹配、总装底盘的装配位置的准确性，保证了整车的驾驶操作性、安全性。图12三坐标测量图图13检具测量图图14Cubing实景图通过这几种测设备，可以对车身尺寸进行全面质量管理，各个测量技术之间进行优势互补，三坐标测量的高精度、测量特性数量可以任意调整且不影响生产线的生产弥补了在线检测测量特性数量的限制、还可以校正激光在线测量系统；激光在线检测对每辆车的100%测量、全过程随时控制生产线和车身品质状况弥补了三坐标的离线测量和不能全过程监控生产线的不足；Cubing的专用外观模块弥补了三坐标测量、激光检测对外轮廓件的关联性检测少的不足，这些技术、设备保证了A3精品车身的生产制造。在A3激光在线检测生产线中，对测量点的选取采用了循环控制式，在保证生产线节拍100秒的情况下，使测量点数量最多，并进行定期更改不同位置的测量点，这样就能实现在一定周期内，全面测量车身上所有测量点。5机器人激光在线测量系统的柔性化测量运用随着顾客对汽车舒适性的要求不断提高，整车的舒适性要求更加精确的控制汽车车身尺寸。车身尺寸的是否精确影响着整车的操作性、驾驶者的驾驶经历。精确的车身尺寸是整车安全性的良好保证，尤其是关键件、安全件的安装点，奇瑞A3焊装线的激光检测系统对悬置、减震器、副车架安装点和前后大灯安装点、车身的前后保安装点都进行全检，确保了车身关键尺寸100%合格，真正意义上做到不让一个尺寸不合格品车流出车间的质量控制。汽车生产企业考虑到一线一车型成本较高，一般都多车性共线生产，机器人激光检测同样存在相同问题，不可能检测单一车型，因此在规划生产时尽量考虑到机器人焊接及机器人激光检测柔性化发展。奇瑞A3的两厢和三厢车采用柔性共线生产，利用给滑橇上安装的MOBY-Ⅰ存储有车型等信息转换程序的读写头及主线工位(读取端)上安装可以读取车型转换程序的读写头来给可编程控制器信号,控制器接收到信号后给机器人信号实现不同车型之间的转换,从而达到共线生产是一种比较理想的生产组织方式。同样,机器人激光检测系统也可以利用其生产组织方式达到车型之间切换检测的目的（图15）。主线工位的读写头主线工位的读写头可编程控制器(检测工位)机器人(检测)检测完成图15检测柔性化在生产使用过程中，测量系统严格控制车身尺寸不合格的车身流到下道工位，通过测量控制系统的检测、分析、判断，系统会对生产线发出两种指令：继续生产、不合格离线。当尺寸发生偏差，检测系统告知此车身不合格，要调离生产线，Comau在设计这条自动化生产线时，通过旋转岔道分离的方法，方便的实现了此功能，见下图16。图16不合格车身分离工位尺寸不合格车身产生后，工程技术人员要对故障车进行原因调查、从本质上解决问题。首先要分析在线测量数据，如存在测量点的数值、偏差点数量有突变或明显错误，就要仔细检查故障车身测量处是否有磕碰、变形等缺陷；否则，对故障车进行三坐标测量，如果三坐标测量值与在线检测数值偏差较大，就要检查激光在线测量设备本身的原因。工程技术人员通过不断摸索、总结，逐步优化激光在线检测数据的设定值、测量特性的选取，使激光在线检测更好的控制车身质量。6总结顾客的要求加上汽车市场日益激烈的竞争以及广大民众对民族汽车的期望，奇瑞聚集雄厚的技术力量、投入大量的资金、使用了全自动化生产线，打造中国第三代家轿奇瑞A3。奇瑞A3是奇瑞向改革开放三十周年的献礼之作，凝聚奇瑞人十年来又一个梦想，也一定会打造为第三代家轿精品。”先进的制造工艺是奇瑞A3成功的基础，从A3的实例中可以看到，机器人自动化设备、激光在线检测是汽车车身制造技术发展应用的趋势，这些技术在以后的焊装工艺中会得到更广泛的应用。参考文献1DataUse_SPC_PCIperceptron公司20092AutoGaugeHardwareReviewperceptron公司2008

附录资料：不需要的可以自行删除车间配线设计技术要求一、总体要求：1、工程概况：本次工程主要为车间内部设备的动力电设计、安装部分。2、本工程包含全部电气配套设施的采购、安装、对接；中标方负责全部电线、电缆、连接头、动力柜、配电盒及其配件的采购、搬迁、安装等，并满足使用要求。其中主线路的架设采用桥架支撑空中架设，距地面高度不低于6米，每根柱子架设一套。3、本次配电工程中电缆规格型号全部为BV系列铜芯电缆，电缆额定电压为0.66/1KV。电缆品牌：电缆可选用江苏上上电缆集团有限公司，南洋电缆集团有限公司，安徽绿宝电缆有限公司，安徽航天电缆集团有限公司,山东远东电缆有限公司等产品，随电缆需附有产品合格证和产品质量检验合格证；线缆为BV线缆标准符合国标要求；断路器选用正泰品牌，随机附有产品合格证和产品质量检验合格证。4、电缆铺设按国家电气安装标准执行，线号清晰，线路规范产品技术标准符合国家标准及行业规范要求。5、动力柜需配置零排和地排,柜体要有相应的铭牌和产品合格证，配备电流、电压表。6、塑料外壳式断路器均采用正泰品牌标准型3极断路器。配电柜体均采用上海电器股份有限公司人民电器厂生产的标准柜体。7.车间照明灯具要求功率100w，均采用浙江阳光品牌；配套开关采用TCL品牌。二、主材配置图3-1装一图3-1装一车间厂房布局图1）配电柜底座安装10#槽钢基础，高度约为200/180cm，周围需密封,配置零排和地排,柜体要有相应的铭牌和产品合格证。配置三相电压表1块，安装电压转换开关1只实现相间电压转换；配置三相电流表3块。2）配电柜箱体高度1800mm，门开启大于135°，箱体独立安装，顶部、底部可根据要求开进出线孔；安装板及侧梁可以调节、安装检修灵活、方便、结构紧凑、通用性好。柜门附配电柜线路图。3）技术参数（铭牌须有标识）□符合标准：IEC439、GB7251.1-1997、JB／T9661-1999

□额定电压：AC400V

□额定绝缘电压：660V

□额定电流：根据负荷要求定

□额定短时耐受电流：30kA

□外壳防护等级：IP304）配电柜内部使用铜排母线连接，柜内母线要求外敷热缩套管，柜内接线端子应与出线导线截面匹配，不得使用小端子配大截面导线。2、分线配电柜要求1）配电柜箱体规格H1200*W600*D400，门开启大于135°，箱体独立安装，底部可根据要求开进出线孔；安装板及侧梁可以调节、安装检修灵活、方便、结构紧凑、通用性好。柜门附配电柜线路图。2）技术参数（铭牌须有标识）□符合标准：IEC439、GB7251.1-1997、JB／T9661-1999

□额定电压：AC400V

□额定绝缘电压：660V

□额定电流：根据负荷要求定

□额定短时耐受电流：30kA

□外壳防护等级：IP303）配电柜内部使用铜排母线连接，柜内母线要求外敷热缩套管，柜内接线端子应与出线导线截面匹配，不得使用小端子配大截面导线。3、配电箱1）配电柜箱体规格600*400，门开启大于135°，箱体独立安装，底部可根据要求开进出线孔；安装板及侧梁可以调节、安装检修灵活、方便、结构紧凑、通用性好，要求安装高度离车间地面1.5米。2））配电柜内部使用铜排母线连接，柜内母线要求外敷热缩套管，柜内接线端子应与出线导线截面匹配，不得使用小端子配大截面导线。三、相关内容及要求(一)车架车间配电要求1、总配电柜部分安装1)从车间内配电室接主电缆至主配电柜位置，安装XL-21配电柜（JP1）1台。2)该配电柜采用三相五线制，其中零线、底线由独立接线铜排。配电柜要求含总控开关（塑壳断路器）1只、车间线路控制开关3只、备用三相断路器3只。4)从配电柜对应断路器三相五线制电缆连接分别至车间三条线路分配控制部分。2、车架车间线路1配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电柜JP1-1、JP1-2；配电箱JK1-32）要求配电柜JP1-1含总控开关1只、三相断路器3只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。配电柜JP1-2含总控开关1只、三相断路器6只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。配电箱JK1-3含三相断路器1只。3、车架车间线路2配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电柜JP2-1、JP2-2、JP2-3；配电箱。2）要求配电柜JP1-1、JP1-2均含总控开关1只、三相断路器3只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。配电柜JP1-3含总控开关1只、三相断路器6只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。配电箱根据配电图分配两相断路器、三相断路器，所有断路器均含有漏电保护功能。3）车间照明控制依照配电图安装于相应位置。4、车架车间线路3配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电箱。2）要求配电箱根据配电图分配两相断路器、三相断路器，所有断路器均含有漏电保护功能。5、配线要求1）总配电柜采用1000A断路器总开关，1个400A塑壳断路器，2个250A塑壳断路器2）分线配电箱内部采用总开关250A塑壳断路器，三相均采用100A塑壳断路器，两相采用60A塑壳断路器，备用断路器采用100A塑壳断路器3）配电箱内部采用总开关250A塑壳断路器，三相均采用60A塑壳断路器，两相采用60A塑壳断路器4）线路2主线采用BV95铜线，零线和地线采用BV50铜线。线路1和线路3主线采用BV50铜线零线和地线采用BV25铜线。5)配电柜支线采用BV25铜线，零线、地线采用10铜线。6)配电箱支线采用BV16铜线，零线、地线采用6铜线7）照明主线采用BV6铜线，灯线采用2.5铜线。6、材料明细名称规格单位数量备注配电柜XL-21含配套件件1A类分线配电柜H1200*W600*D400件3内含7个塑壳式断路器B类分线配电柜H1200*W600*D400件2内含10个塑壳式断路器A类配电箱600×400件23相/1B类配电箱600×400件13相/2C类配电箱600×400件143相/3D类配电箱600×400个33相/1+2相/2E类配电箱600×400个23相/2+2相/1F类配电箱600×400个43相/3+2相/1铜线BV952米约420内含接线鼻铜线BV502米约920铜线BV252米约500铜线BV162米约500铜线BV102米约100铜线BV62米约300线路桥架套505号槽钢焊接，含瓷瓶照明配电箱400×200套4含控制系统其他辅材---(二)车相车间配电要求1、总配电柜部分安装1)从车架车间内配电室接主电缆至主配电柜位置，安装XL-21配电柜（XP）1台。2)该配电柜采用三相五线制，其中零线、底线由独立接线铜排。配电柜要求含总控开关（塑壳断路器）1只、车间线路控制开关3只、备用三相断路器3只。4)从配电柜对应断路器三相五线制电缆连接分别至车间三条线路分配控制部分。2、车架车间线路1配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电柜XP1-1、XP1-2。2）要求配电柜均含总控开关1只、三相断路器6只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。3、车架车间线路2配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电柜XP2-1、XP2-2、XP2-3；配电箱。2）要求配电柜均含总控开关1只、三相断路器6只、两相断路器（含漏电保护）1只、备用三相断路器2只。配电箱根据配电图分配两相断路器、三相断路器，除总开关外所有断路器均含有漏电保护功能。3）车间照明控制依照配电图安装于相应位置。4、车架车间线路3配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电箱。2）要求配电箱根据配电图分配两相断路器、三相断路器，所有断路器均含有漏电保护功能。5、配线要求1）总配电柜采用1000A断路器总开关，1个400A塑壳断路器，2个250A塑壳断路器2）分线配电箱内部采用总开关250A塑壳断路器，三相均采用100A塑壳断路器，两相采用60A塑壳断路器，备用断路器采用100A塑壳断路器3）配电箱内部采用总开关250A塑壳断路器，三相均采用60A塑壳断路器，两相采用60A塑壳断路器4）线路2主线采用BV95铜线，零线和地线采用BV50铜线。线路1和线路3主线采用BV50铜线零线和地线采用BV25铜线。5)配电柜支线采用BV25铜线，零线、地线采用10铜线。6)配电箱支线采用BV16铜线，零线、地线采用6铜线7）照明主线采用BV6铜线，灯线采用2.5铜线。6、材料明细名称规格单位数量备注配电柜XL-21含配套件件1B类分线配电柜H1200*W600*D400件2内含10个塑壳式断路器D类配电箱600×400件53相/1+2相/2E类配电箱600×400件163相/2+2相/1铜线BV952米约500内含接线鼻等辅材铜线BV502米约800铜线BV252米约500铜线BV162米约400铜线BV102米约100铜线BV62米约1500铜线BV2.52米约500线路桥架-套605号槽钢焊接，含瓷瓶照明配电箱400×200套4含控制系统工厂罩灯100W套56含灯罩、线管其他辅材---(三)总装车间配电要求1、总配电柜部分安装1）在指定位置安装XL-21配电柜（ZP）1台。2)该配电柜采用三相五线制，其中零线、底线由独立接线铜排。配电柜要求含总控开关（塑壳断路器）1只、车间线路控制开关3只、空压机控制开关1只、备用三相断路器2只。3）柜对应断路器三相五线制电缆连接分别至车间三条线路分配控制部分。2、车架车间线路配电要求1）在车间指定位置（见车间配电图）放置配电箱