白車身前部定位孔結合Vision在線激光切割應用

袁兵　解永圣　鞏明鵬

摘 要：激光割孔技術是利用Vision視覺引導設備測量后的數據迭代使機器人實現激光割孔。本文介紹了在白車身生產線上利用激光割孔技術實現在線切割定位孔應用，對在線工藝，機器人可行性方面進行了歸納，總結了制造過程中對割孔質量主要影響因素，對這些影響因素進行了分析，并給出了控制措施。

關鍵詞：激光割孔 白車身 尺寸配合 設備測量 視覺引導

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0144-04

Abstract：The application of laser cut holes with Vision on BIW vehicles was introduced. At the same time， summarized the online production and robot feasibility analysis. Based on the results of the analysis and study on the quality of laser cut holes， some improved measurements were put forward accordingly.

Key Words：Laser cut holes； BIW； Dimension； Measurement； Visual guidance

1 概述

如今人們對高柔性，低成本的新技術在白車身區域應用的研究越來越廣泛。白車身的前部尺寸一直靠人工反復調整來保證，存在尺寸配合不穩定，人員效率低的問題[1]。為了根本性解決問題，我們引入了白車身綜合Vision系統在線進行激光割孔的新技術。在線激光割孔技術由于是實時的根據每輛車的實際尺寸，在水箱上橫梁上切割出相對于A柱定位孔恒定尺寸的孔，此孔將作為前部大燈支架/翼子板/前蓋的安裝定位孔，使得前部定位穩定，減少了生產人員反復調整的非增值工作，也提升了原先Vision工位的增值工作[2]。

本文重點介紹了激光割孔在線技術的流程圖和原理，以及激光割孔在線工藝在白車身上的應用特點，并探討了其在應用時遇到的問題以及解決方法，為在線激光割孔工藝技術的應用提供了參考。

2 機器人Vision引導系統精度分析

首先介紹機器人帶Vision引導系統的原理及精度分析，如圖1所示。L1為傳感器相對于車身坐標系原點的位置度，車身的工藝穩定性；L2為視覺傳感器相對于機器人法蘭的位置度；L3為機器人法蘭相對于機器人底座的位置度，機器人自身精度；L4為機器人底座相對于車身坐標系原點的位置度，是局部坐標系擬合。

以車身坐標系原點出發，至測量位置結束，對應關系為F（L1）=F（L2，L3，L4），其中左側就是測量特征的變化量，即車身制造誤差。通過與三坐標對比過程，可以修正測量系統的系統誤差。右側就是測量系統的測量值，意義是指假設車身不變，測量系統的重復測量精度。L2是Vision系統的精度，通常0.15mm。L3是機器人的重復精度，通常0.3mm，；L4局部坐標系擬合，通常精度0.1mm。

綜合就是F（L1）測量值的重復精度可達（誤差傳播定律）。

以上分析都是基于這是一個相對測量系統，分析誤差都是基于重復性精度而不是絕對精度。

3 Vision結合激光在線切割技術

激光在線割孔技術利用機器人Vision視覺引導系統測量白車身A柱主定位的實際尺寸，通過系統迭代計算水箱上橫梁的偏移量后傳遞給機器人進行切割操作。完成切孔后視覺機器人對切孔進行測量，判斷孔徑是否符合要求。切割機器人主要集成有激光切割頭，氣動頂錐，視覺相機（如圖2），視覺引導機器人激光切孔后，還會檢測廢料脫落情況，若未正常脫落，則氣動頂錐前往分離；輔助機器人配有打磨系統，廢料收集系統，視覺相機，激光切孔后的廢料依靠切割輔助氣體和管道負壓進行收集，落入廢料儲料箱中。

4 激光在線切割技術應用案例

目前某汽車工廠車身車間已經結合并利用已有工位的常規Vision測量設備來實現激光在線割孔工藝，該工廠實際應用數據分析如下。

4.1 激光切割機器人帶Vision系統重復性分析

目前線上已有Vision工位的系統重復性：Range≦0.35mm，選用Robot型號為M-710ic/70。引導系統綜合重復性計算結果為mm，其中系統中各項重復性指標如表1所示。

結論：切割孔的位置度要求為+/-0.5mm，即Range為1mm（以建系點為基準），因此0.39mm<1mm，滿足要求。

4.2 定位計算方式

在線切割Vision測點選取原則如圖3所示，測量A柱主定位孔1，（測點1102XLO/1102XRO），確定X方向，如圖4；測量A柱一個面點2（測點1101SLO/1101SRO），確定Y方向；測量孔3（測點0207XLU/0207XRU），確定Z方向。切割孔位置的X，Y，Z向偏差均通過對特征點的各向測量值（相對于車身坐標系值）進行組合計算得出[3]。

均值引導偏差計算：

X向定位計算：L_X=R_X=（1102XLO_X+1102XRO_X）/2-22219.1

式中：L_X，R_X即為待切割孔的X向offset值，1102XLO_X，1102XRO_X為1102XLO/1102XRO的X向測量值。

Y向偏差計算：L_Y=R_Y=（1101SLO_Y+1101SRO_Y）/2

式中：L_Y，R_Y即為待切割孔得Y向offset值，1101SLO_Y， 1101SLO_Y為1101SLO/1101SRO的Y向測量值。

Z向定位計算：L_Z=R_Z=0

式中：L_Z，R_Z即為待切割點的Z向offset值，使用0207XLU/0207XRU理論的Z向坐標值。

4.3 切割孔實測穩定性

以上理論計算結果通過后，我們再分析某工廠車間現場實際監控的50組數據。如圖5所示，可看出切割孔0206與其臨近孔0207在X向的差異，0206的X向與主定位孔1102的波動一致，并且波動公差很小，而0207無規則波動，波動范圍較大，偶有超差。可見Vision引導的切割系統的穩定性能更好的滿足定位孔的尺寸要求。

5 影響切割孔質量及尺寸的因素

Vision引導在線割孔技術在工藝發展，設備關鍵技術等方面做了較有成效的工作，對實現白車身前部關鍵定位孔尺寸控制起到了較大的推進作用。然而，在線割孔技術在車身制造的過程中，仍存在對測量及切割的影響因素。

5.1 周圍環境震動的影響

在以上精度計算中，我們沒有考慮外部環境對機器人精度的影響，比如前后工位的shuttle線工裝的起落，周邊總拼工位工裝切換等的影響，會對地面產生震動，從而影響測量值的精度。前期規劃的時候，必須要設計獨立地基來隔開、阻擋振動源的傳播。如圖6所示，工位內的機器人、基準小球、定位工裝、輥床等均安裝在工位地基上，隔離周圍環境的震動及減少地基沉降等變化帶來的影響。

5.2 周圍環境溫度的影響

通過軟件來計算補償機器人本體受溫度影響造成的各軸尺寸偏差，利用傳感器對低熱系數的溫度補償球進行測量并與標準值做對比，從而補償消除熱影響給機器人帶來的定位誤差，保證測量結果真實反映車身尺寸波動。

5.3 板材厚度及多層板材的影響

在線Vision激光切割對于厚度小于2mm，切割孔直徑小于10mm的高強鋼，低碳鋼，合金鋁等都有很好的切割性，但在實際應用中，要避免切割兩層板，兩層板之間板材配合很難保證零間隙貼合，而激光穿過間隙后對第二層板的切割性減弱，使第二次板的孔徑變小或不易脫離。

6 結語

Vision引導的在線切割孔技術是一種比較新型的白車身尺寸控制方法，在白車身上重新建立了前部尺寸對應關系，將水箱上橫梁的大燈支架/翼子板/前蓋定位孔直接與A柱主定位保持對應，縮短了尺寸鏈，在減少了對總成零件尺寸的要求的情況下，也減少了白車身制造過程的尺寸偏差，同時減少人員調整量量，使人員效率提高，在國內外各整車制造廠中已逐步得到廣泛應用。在應用中充分了解其質量控制因素，總結其解決方法，將進一步發揮在線切割孔技術的優越性，降低生產成本，提高競爭力。

參考文獻

[1] 姚曉春，金林鋒.后舉門凈孔安裝結合Vision在線沖孔應用[J].汽車制造業，2017（1）：38.

[2] 楊揚，楊玉芳.基于在線測量的白車身舉門沖孔引導算法研究[J].機械工程師，2017（3）：152-153.

[3] 楊玉芳.基于三坐標測量和在線測量的白車身尺寸控制[J].機械一體化，2011（6）：92-98.