淺談機器人在線檢測技術在車身制造中的應用

李金山，李彥賀，溫強龍，安珂

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 機器人在線檢測技術在車身制造過程中應用的必要性

伴隨日趨激烈的國內汽車市場，各汽車主機廠的核心競爭力大體可總結為造型、性能及質量三大方面。尤其是汽車質量這一方面，最能夠體現一款汽車的口碑，也會間接的影響市場認可及銷售能力。

汽車制造作為一個系統化的制造工程，而作為汽車整車制造過程中最重要的工序之一的車身制造，作業內容復雜且質量指標要求高。車身制造過程的重要質量指標一般分為車身尺寸質量、焊接質量、外觀質量、匹配質量等，其中車身尺寸質量是最影響整車裝配性的質量指標之一。目前國內對于車身制造過程中的車身尺寸的檢測方式大多采用線下檢測，即采用雙懸臂測量儀在專業的三坐標測量室（恒溫恒濕）內對車身進行檢測（如圖1所示），通常一條車身生產線單班次每日測量樣本不會超過2臺份，且測量周期長，一般為2-3小時/臺車，檢測報告制作周期約為0.5小時。一般取得當日車身生產過程中尺寸報告需要自線上下車后的 2.5～3.5小時左右，而此時生產線仍然繼續生產，如果車身尺寸狀態存在較大偏差，問題車身已生產62.5～87.5臺車（以25JPH為例）。無法做到及時反饋車身誤差信息，若產生不可修復性的車身尺寸偏差，所產生的損失不可預估。

為解決此類問題，國內部分主機廠已意識到車身制造過程中在線檢測技術的重要性，并且部分主機廠已投入應用固定式在線檢測技術，如紅外線在線檢測技術。但由于固定式的局限性，效果不夠理想，檢測位置較為單一且只能檢測單一車型，無法滿足車身實際生產過程中的質量需要。為此一種柔性化的車身尺寸在線檢測技術在車身制造過程中的應用勢在必行。

圖1 傳統車身三坐標測量

2 機器人在線檢測技術在車身制造過程中應用的目的

目前國內汽車白車身生產線發展日新月異，為響應國家提出的“中國制造2025”這一主題，柔性化、自動化、智能化及高節拍是未來汽車白車身生產線開發的趨勢，如何滿足這一趨勢是目前車身制造過程在線檢測刻不容緩的一大課題。

2.1 滿足車身制造過程中柔性化在線檢測需求

固定式、單一車型的在線檢測技術已不能滿足目前白車身生產線柔性化需求，為此在線檢測技術也應具備柔性化功能。目前世界上車身尺寸檢測設備相對比較完善（主要有紅外線、藍光、白光等檢測系統），而柔性化的檢測技術需完善的車身尺寸檢測設備及可滿足一定移動軌跡的載體即可實現，其中載體應同時具備位置度及重復定位精度要求。具體項目可依據不同需求可選擇不同的工裝活設備作為載體，而目前以機器人作為載體是符合車身柔性化制造需求的最佳對象（如圖2ab所示）。

2.2 滿足車身制造過程中尺寸檢測及時性需求

圖2a 機器人在線檢測

圖2b 機器人在線檢測

傳統的車身檢測方式由于檢測周期長且只能對車身進行抽檢。而機器人在線檢測技術可以實現非接觸、快速等檢測優點，不僅能夠快速反饋車身尺寸信息，而且也可體現出車身尺寸趨勢及重要車身尺寸偏差在線預警功能，能夠及時為工藝分析改進提供依據，符合未來車身制造自動化、智能化及高節拍的質量需求。

3 機器人在線檢測技術工作原理

3.1 在線檢測系統-機器人構成

在線監測系統主要構成部分如下：

①重復位置精度較高的機器人，如KUKA、ABB等一流品牌機器人；

②專業的視覺傳感器；

③包含服務器模塊、數據處理計算機、圖像處理系統及用戶界面程序等的測量專用數據控制柜；

④相應的RFID系統、光柵及Z向傳感器等PLC控制系統構成。

其中作為輸入端的是視覺拍攝系統并對待測對象進行數據收集。通常組成部分是半導體激光束作為信息的輸入端，可實現與待測對象不進行接觸（傳統檢測系統采用接觸式）、對待測對象的特征進行信息收集。該輸入端的技術參數要求：工作距離200mm左右、精度±0.05mm、分辨率0.01mm、分辨率0.01mm及相關的穩定輔助支架等。

圖3 機器人在線檢測技術工作原理

3.1.1 系統布置

以通常的白車身自動化生產線為例，在線檢測工位可布置 2-4臺在線檢測機器人（具體依據實際需求為準），通過3D數據模擬仿真，并結合線體的實際布置及既定生產節拍，最大限度滿足需求的前提下，最終明確在線檢測機器人的布置位置及數量。

3.1.2 檢測點仿真及方案

（1）檢測點數量的設定

以30JPH的白車身自動化焊裝線為例，滑橇的轉運（包含升降）時間約為18s，單個檢測點的花費時間約2-2.5s。綜上，配置4臺在線檢測機器人可實現檢測點的最大數量為：【（120－18）/2】*4＝204 個。

（2）檢測點的預選、仿真及最終確定

白車身焊裝線通常共由五個關鍵區域組成：側圍區域、發艙區域、前地板區域、后地板區域及車身骨架區域。若僅設置一個工位的在線檢測系統，盡可能多的設置檢測點，則對于白車身檢測效果越明顯，在仿真模擬前，參考傳統三坐標檢測點并依據檢測點的重要程度進行預設定檢測點，依據預設定檢測點位置進行數字化模擬仿真，并依據現場實際驗證結果作為導向從而最終確認檢測點位置及數量。

3.1.3 在線檢測效果

（1）焊裝自動線通過滑撬將待測白車身骨架轉運至機器人在線檢測工位，待車身定位完成后，控制器給在線檢測工位控制器發射“到位”信號、控制器給在線檢測系統控制柜發射“車型”信號、控制柜向檢測機器人發動“啟動”信號、機器人接到信號后運行、機器人將每個檢測點的檢測值向檢測控制器發射“測量請求”和“測點ID”信號、待檢測控制器發回的“測量完成”信號、在線檢測系統接到信號后啟動測量并對檢測結果進行記錄、再通過檢測分析軟件進行處理。單個檢測點結束后繼續向機器人發射“測量完成”信號、機器人收到“測量完成”信號后開始向下一檢測點運行，直至完成所有既定檢測點的測量。

（2）在線檢測系統可取得的效果：

通過機器人在線檢測系統的應用，既可實現對生產過程中異常車身尺寸波動的預警，又可實現檢測數據庫的搭建。

①通過對過程異常車身尺寸示警，規避了批量問題車身的生產且能夠正向識別問題，降低不合格產品數量；

②車身檢測數據庫的搭建，通過對指定時間段的車身數據匯總分析，有利于逆向識別整車裝配所產生的問題位置，便于問題解決，提高問題解決效率。

3.1.4 影響在線檢測系統精度的因素

通過查閱相關資料并實地跟蹤驗證確認后，影響在線檢測系統精度因素如下：

①信號輸入端在檢測過程中應確保與檢測點的投影面保持垂直狀態，越接近90°，檢測精度越高，反之，精度越差；

②機器人在線檢測系統中機器人本體在同一姿態不同溫度（極限溫度與通常溫度）環境下運行過程中波動較大，經不完全統計，精度波動值在0.2mm左右。非極限溫度下，波動可忽略不計；

③檢測點應選取特征明顯的點，同一臺車經在線檢測后用傳統三坐標測量儀檢測后發現，特征越明顯的檢測點，在線檢測的測量精度越高；

④機器人在線檢測系統所選取的重復性定位精度越高的機器人，檢測特征點的精度越高。

4 總結

通過對機器人在線檢測系統的應用，可取得如下優點：

4.1 白車身焊裝線所有車身關鍵檢測點都可實現100%檢測，并可針對異常車身進行預警，規避批量問題車身生產，降低企業不合格品所產生成本，同時提高檢測效率。

4.2 白車身在線檢測可實現車身尺寸數據庫搭建，通過對指定時間段的車身數據匯總分析，有利于逆向識別整車裝配所產生的問題位置，便于問題解決，提高問題解決效率。