激光在線測量在汽車車身尺寸監控中的應用

胡津銘

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激光在線測量在汽車車身尺寸監控中的應用

胡津銘

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預批量科，廣東 佛山 528237）

激光在線測量技術在汽車制造企業的車身生產流水線的應用越發廣泛。文章從激光線測量系統的硬件構成開始，描述測量系統搭建及精度調試的主要途徑，介紹數據管理方式及質量評價指標，并闡述相關質量優化專業技術人員隊伍的協作方法。文章旨在探討工程技術手段及管理方法協調運行工作的方式，以此保持及提高車身尺寸的穩定性，助力企業打造高品質的汽車產品。

激光在線測量；車身尺寸；產品公差

前言

汽車車身尺寸的監控及優化是目前整車制造環節的一項重要業務。在當前汽車流水線批量生產狀態下，激光在線測量技術可以在規定的制造工時內快捷且較高精度地獲取車身尺寸偏差數據。質量優化相關技術人員可以根據獲取的數據輔助理解車身批量尺寸狀態，從而服務于車身批量生產的穩定性保證與偏差的及時調整優化。

1 激光在線測量系統的結構及原理

測量系統的系統核心部件為激光傳感器。傳感器由光學鏡頭、激光器、反光鏡和攝像頭組成，測量原理為光學成像的空間三角原理。半導體激光器發出的激光束經過光學鏡頭發射為一激光平面，位于傳感器內的攝像頭能夠感應到此激光面的一部分。當激光面與待測物體表面相交時，形成一條亮度明顯的激光線。激光線在攝像頭中形成線條的位置隨物體表面的三維空間位置變化而變化。經過系統設定的矩陣運算，可以將二維成像的x、y坐標與三維空間被測點的X、Y、Z坐標進行轉換運算[1]。

傳感器在生產線上的布置方案可以分為固定式及動態式兩類。固定式是將一系列的傳感器緊固安裝在生產線的靜置的工裝框架上，整個測量過程與被測車的位置相對靜止，測量傳感器采集數據后即可根據設定的位置關系，直接計算出在整車坐標系（原點在汽車前輪的中心連線）的偏差。而動態式可以更好滿足不同車型柔性共線生產的兼容要求，通常采用的方案是將測量傳感器緊裝在數控機器人上，激光傳感器采集完成信息后，通過機器人自身的臂長、轉軸旋轉角度等參數間接轉換到被測車身的坐標系上，最終輸出直觀的測量報告。

圖1 激光傳感器的結構

圖2 某生產線激光在線測量系統

2 車身在線測量的構建過程

測量系統需要結合車身三維數模及實物調試才能使用。對于全新預批量的車型動態測量，技術人員可以進行以下五個主要步驟的工作。

2.1 預選車身測量點

結合被測車身總成的三維數模，提前選定一些比較重要的位置，例如涉及功能零件的裝配尺寸、對后續工序有關鍵影響的定位尺寸、客戶能目視感知到的重要外觀尺寸。規劃定義測量點的名稱、測量點的幾何類型、測量點的坐標、法向量、公差帶大小。在測量點的預選及規劃過程中應盡可能保證與質量保證部門檢測科室的接觸式三坐標測量報告盡可能保持一致性，這樣可以便于激光在線測量系統進行精度標定及保養維護的時有測量偏差基準可供參考。

2.2 分析測量可達性

在線測量系統的機器人關節臂攜帶著激光傳感器在起止運動過程中會掃略過一定的空間，客觀上存在與被測量車身干涉碰撞的風險。而且激光傳感器有成像景深要求，需要與被測車身的距離保持在一定范圍內。因此預選的每個測量點都需要進行系統硬件是否可到達的仿真驗證。這方面有相關的專業仿真軟件，可以輔助技術人員進行相關的虛擬仿真驗證工作。如果發現有無法通過參數調整消除的不可到達點，則需要進行剔除，考慮改用其它的方式進行尺寸監控。

2.3 均衡生產節拍

汽車自動生產線對每個小時內的產量節拍（JPH）有著嚴格的要求，在線測量系統的測量工作時間也需遵守。如果在測量點規劃進行工時模擬時，估算出所需的測量總時間大于生產節拍給出的時間限制，則需要對測量點進行分組編排處理。可以將所有的測量點數近似平均分為N個組（通常N≤5），每組的測量總時間必須控制在生產節拍范圍內。在連續進行的車序中，每臺車只進行其中一組的測量點采集，接下來的另一臺車進行另外一組的數據采集，在連續N臺車經過測量工位后，即可完成全部設定測量點的采集及評價。

2.4 編制測量程序與設定公差

為了使待測點能被激光傳感器清晰識別并測量，調試人員需根據每個待測點的幾何特征（圓孔、曲面點、拐角點、螺柱等）進行定義，并結合激光傳感器的成形圖像進行測量算法的選擇設定與參數調試。在線測量的公差設置通常包括系統預警的公差及設備停臺的這兩個層面的公差。如果在線測量數值在產品要求公差帶75%至100%的區間，可以設定系統發出預警。如果測量點嚴重超差，可以設置生產線立即停臺進行質量分析。以上的參數結合機器人的軌跡編程技術，按照不同區域統籌生成系統自動測量程序。

2.5 測量穩定性及精度一致性調試

在線測量系統的穩定性及精度需要滿足質量監控的技術要求。針對同一臺車身，將機器人機械臂及車身傳輸工裝靜態及動態重復測量過程運行設定的測試次數（例如連續20次），測量結果的平均偏差如果在足給定的精度范圍（例如0.05mm），可以認為系統穩定性滿足需要。由于接觸式的三坐標測量機在很多汽車企業里是質量認可的標桿，激光在線測量系統可以利三坐標測量機的精度作為參照基準。我們可以將同一臺車身的激光在線測量數值與經過接觸式三坐標測量的測量數值進行差值分析。如果激光在線測量系統的測量數值比基準值的偏差絕對值大于給定的控制偏差（例如0.2mm），則需要將其平均偏差值整體補償相應的差值，整體平移到三坐標測量機的基準數值。當穩定性和精度一致性達到目標時，系統才可以正式投入使用。

3 測量數值統計及分析

在線測量獲取的數據需要經過一定的梳理及解讀后才能體現價值，實際工作中需要觀察一段時間內的數據趨勢來把握批量車身尺寸偏差的規律。在車身質量控制領域主要統計的數值有：

合格率：符合公差要求的測量點個數除以所有測量點的總數。

平均測量值：某個具體測量點所有被測車輛的平均值,可以用字母表示。

對于車身尺寸的穩定性評價，常用以下過程能力指數來進行[2]：

使用評價過程的波動大小：

其中和分別為公差上限和下限，為參與評價的被測車數，i為具體某臺車指定點的測量數值，為所有參與評價點的測量平均值。

主要用于評價被測量點圍繞控制目標中心值的波動情況：

實踐中與通常結合一起來參考評價。

對于相關技術人員，需要持續關注在線測量數據的運行情況，同時要利用相關數據結合生產現場的實際情況進行分析，這需要一定的實踐經驗積累。例如發現測量值沿著某個測量值無規律波動，可以檢查上游零件及分總成的尺寸穩定性及夾具定位元件的尺寸精度，如上游零件尺寸不穩定或定位元件磨損，則制定相關零件的優化措施或更換新的定位元件。

4 專業技術人員團隊協助

在實際車身生產制造過程中，需要由相關不同部門協同合作進行在線測量的數據應用。通常可以由生產車間現場技術人員、測量技術人員、過程質量保證人員、車身匹配分析優化人員組成跨職能項目團隊。項目團隊可以對在線測量系統的硬件保養維護頻次、測量精確度的校驗周期、測量點的規劃與生產節拍的平衡、車身測量超差尺寸的報警及優化、重點質量問題的升級處理機制等內容制定出詳細的工作流程文件。在相關部門的績效管理里，還可以針在線測量的運行關鍵參數對設定相應質量目標。對一些富有挑戰性的任務，可以進行質量攻關項目的立項，在工作榮譽和薪酬獎金上對卓有成效的項目團隊進行激勵。

5 結論

汽車車身生產線的激光在線測量應用是一個系統硬件構建與制造技術管理相結合的過程，不僅需要技術人員熟悉其硬件的原理及系統構建過程，還需掌握相應的數據統計分析工具，最終通過團隊協作的方式，達到穩定及優化車身尺寸的效果，從而助力高品質汽車產品的制造。

[1] 楊揚.轎車車身尺寸在線檢測數據自動報警方法研究與應用[D].上海交通大學機械與動力工程學院,2011,4-6.

[2] 呂杰.基于過程能力的裝配質量研究——質量配合能力的評價與應用[D].山東大學管理科學與工程學院.2017,11-12.

The application of laser online measurement on vehicle body dimensional control

Hu Jinming

( FAW-Volkswagen Automotive Co., LTD, Foshan Branch, Series Analysis and VSC, Guangdong Foshan 528237 )

Laser online measuring technology is more and more popular in automobile company vehicle’s body automation production line. This thesis introduce the structure of the laser online measuring system, describe the main process of building and adjusting the accuracy of measuring system, introduce the measuring data management network and quality evaluation Index, and share the cooperation method of related professional and technical personnel team. The purpose of this thesis is to discuss the way of coordinating the operation of engineering and management methods, and helping enterp -rises to build high quality automobile products.

laser online measurement; vehicle body dimension; product tolerance

U463.82

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1671-7988(2019)07-48-03

胡津銘，就職于一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司批量分析與預批量科， 從事汽車車身及整車尺寸匹配分析與優化研究工作。

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1671-7988(2019)07-48-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.016