激光在線測量在白車身生產過程中的規劃與應用

馬曉紅,羅鳳平,王地川

(寧波吉利研究開發有限公司長興分公司,浙江湖洲 313000)

0 引言

激光在線測量是一種新興測量方法，它采用激光、視覺傳感器、圖形處理及計算機控制技術來實現對整車或分總成在線、實時、非接觸式精確測量。激光在線測量技術突破了傳統三坐標離線抽樣檢測的限制，能夠在線實時監控白車身尺寸波動，為生產過程改進提供測量依據。

1 激光在線測量的特點及優勢

激光在線測量主要有以下特點及優勢：

(1)對白車身100%實時測量。反應速度快，能夠自動分析生產線的運行狀況，時刻掌握白車身過程質量變化趨勢;

(2)對環境要求低。能夠適應車間生產環境，且是一種非接觸性測量，無須接觸白車身，不會對白車身外觀造成損傷；

(3)測量效率高。3 s完成一個測點，2 min可完成一次白車身測量，測量過程能夠兼顧生產；

(4)柔性高。可以通過編程實現多車型柔性化共線檢測需求(6車型以上)；

(5)可實現報警信息實時推送。便于工程師及時掌握白車身數據異常情況，并采取應對措施。

此外，在線測量還有一個顯著的優勢，能夠實時獲得足夠多的數據樣本。三坐標測量雖然精度高，但測量頻次低，一般1臺/天，抽樣概率約為1/300,樣本量小、統計能力弱、存在滯后性，無法代表生產線狀態。從統計學的角度來看，只有在大樣本量、準確實時的數據基礎上進行的尺寸偏差分析，才能有效地控制、保證白車身尺寸精度。

2 在線測量在白車身生產過程中的規劃

某整車廠在進行激光在線測量設備規劃時，增加了如下幾項優化，以提高在線測量的實用性，充分發揮激光在線測量技術的優勢。

2.1 分組測量

某整車廠規劃激光在線測量設備時，對在線測量工位進行了分組測量[3]，總計設置7條測量程序，共210個單點測量：即A+Bi(i=1～7)。如圖1所示，其中A組為固定組測點，主要是對白車身工序的監控;Bi組為浮動組測點，根據生產節拍、測點區域、測點關系、局部坐標系及問題發生頻次等因素進行劃分。每組測點可以根據需求進行靈活調整測量頻次。

圖1 分組測量

測點分組的優勢：(1)可以增加被測點的數量，由傳統的一組測點程序，約100個單點，可以增加至200多個單點，甚至更多；(2)可以根據工廠生產節拍、車型需求、產能變化，靈活調整測點程序及頻次；(3)可以有針對性地對某個區域進行調研，節省測量工時及測量資源。

2.2 建立局部坐標系

一般情況下，在線測量的測點是基于整車坐標系下建系的，激光在線測量只對單點或兩點之間的關系進行評價，某些情況下與總裝裝車狀態無法對應，導致缺陷車流入總裝。針對這一問題，某整車廠規劃了將測點分組按功能區域分配，以實現局部基準下的功能尺寸測量[2]，從而提高測量準確性，與總裝缺陷強相關。

例如，對于白車身后門區域，將后門所有測點放在一個浮動組，在線測量軟件將后門局部基準點挑出，進行擬合建立后門局部坐標系，在后門局部坐標系里重新評價后門間隙面差測點。

2.3 臺車狀態監控

白車身一般使用滑橇輸送，白車身進行在線測量時滑橇脫離，用工位內的固定夾具定位白車身。由于某主機廠生產節拍較高，在焊裝線體規劃了臺車輸送白車身。臺車是帶電器元件的定位夾具，跟隨白車身在不同工位移動，在線測量時臺車不脫離白車身，臺車定位在滾床上，白車身定位在臺車上。

由于增加了臺車在滾床上的定位因素影響，不同臺車之間存在精度差異，且臺車在實際運行過程中會經歷撞擊、磨損、變形、車型切換等因素影響，也會對精度有影響，因此，某主機廠在線測量工位規劃了與臺車尺寸狀態強相關的測點，以及能讀取白車身VIN碼和臺車編號的RFID設備，來監控不同臺車之間的精度差異。

如圖2所示，在白車身下部硬點附近，設置4個測點，與臺車的定位狀態強相關，使用在線測量這4個點，獲取樣本數據，按照臺車編號對數據排序，可以發現不同臺車之間的差異，從而鎖定問題臺車，將問題臺車下線到臺車檢具上，進行測量、核實尺寸偏差，并對其進行返修調整，以保證臺車之間的一致性。大大縮短了問題臺車排查循環周期。

圖2 在線測量與臺車強相關點

2.4 建立過程報警模式

SPC過程報警模式如圖3所示。

圖3 SPC過程報警模式

一般情況下，在線測量設置的報警監控線只對超出監控線范圍的測點進行報警，即只能進行產品報警，而沒有生產過程報警。產品報警的目的是防止缺陷產品流到生產下游，而過程報警主要是監控生產過程的變化，二者需要相結合才能實現對生產狀態的監控。

過程報警是以統計過程控制(SPC)的8種變異規則來設置報警條件，8種變異規則的原理是：“小概率事件原理”，即小概率事件發生可以認為生產過程有異常變化[1]。導致不同種類的變異原因是不相同的，因此可以通過過程報警的種類進行初步推斷變異原因，如圖3所示，根據初步原因鎖定方向，做現場調查，確定根本原因。

某整車廠在線測量系統在規劃產品報警的基礎上，通過優化軟件增加了過程報警(不停線)，按天導出過程報警報告，通過分析變異報告的測量數據，對還未發生的問題提前預防；同時在線測量軟件也可以對缺陷原因進行自動分類，例如定位銷或工裝松動磨損、零件批次差異、人員操作或技能差異、新材料新工藝使用等。通過對缺陷原因進行初步分類，指導現場問題分析方向，提高缺陷分析效率，將問題驅動轉變為數據驅動[4]。

2.5 導出CII報告監控白車身穩定性

CII(Continuous Improvement Indicator)指數是白車身制造穩定性評價的一個重要指標，它將白車身測點數據樣本的6σ(標準差)由小到大進行排列,選取第95%的6σ值,作為白車身制造質量的評價指標，CII指數越大說明白車身制造穩定性越差[5]，因此CII指數能夠代表企業的制造水平。近年來，歐美、日本汽車廠的CII指數一般能做到2 mm之內(2 mm工程)。

CII指數的另外一個作用是通過找出CII指數最差5%的點，通過一輪一輪地持續優化最差5%的點，達到不斷提高白車身制造穩定性的目的。

由于三坐標測量數據樣本量少，反應周期長，某整車廠規劃了利用在線測量的關鍵測點來統計CII指標。利用在線測量軟件進行數據處理并按天導出CII報告，對CII指標最差5%的點持續改善，最終達到提高白車身制造穩定性的目的。

2.6 在線測量數據與CM4D數據共享

一般來說，在線測量數據與三坐標數據無法實現自動共享，某整車廠在三坐標測量(CMM)辦公室內配置一套支持6個工位的在線測量中央數據服務器，通過優化數據處理軟件，可實現自動抓取三坐標共享平臺的測量數據，并進行自動數據分析處理，可直接導出在線測量與三坐標測量數據相關性比對、offset、標準差分析等結果，大大降低了人工處理數據工時。

此外，在線測量數據也可以導出DMO測量文件到CMM數據共享平臺上，CM4D軟件對其DMO測量文件進行抓取，實現與沖壓單件、外購件、三坐標測量、DTS測量、Cubing等測量數據的整合，通過CM4D軟件對各類測量數據進行統計分析，形成一條全面的數據分析鏈，能夠更加便捷、直觀地分析單件、各級分總成及整車尺寸狀態。

3 在線測量在規劃中需要注意的問題

3.1 設備持續維護

激光在線測量的測量精度沒有三坐標測量系統高，而且對被檢測零件特征的穩定性要求較高。由于受人機料法環測等多種因素的影響，包括夾具調試、白車身波動、零件變更、臺車狀態等，導致在線測量結果不穩定、中值變化，且在線測量系統無法對其測量結果進行自矯正，因此在線測量需要配合三坐標測量系統使用，其可靠性需依靠三坐標進行定期矯正。通過動靜態測試、三坐標相關性對比，持續優化在線測量的offset值、測點參數、算法處理等因素，來保證在線測量穩定性及準確性。因此需要根據整車廠的產能節拍定制標準化、周期性調試及持續維護流程。

3.2 工位減震處理

由于在線測量工位設置在焊裝車間廠內，焊裝白車身生產過程中產生的震動，對測量精度可靠性有一定的影響，因此需要對在線測量工位做特殊的處理，在測量基礎外增加一層10～20 mm厚的減震纖維板，給在線測量設備提供減震作用。

3.3 遮光處理

由于激光在線測量是非接觸式光學測量系統，它利用激光發射器的反射光在屏幕上成像的位置來獲取被測物在空間的位置，如果存在其他外部光源將會影響測量的可靠性，如太陽直射或折射、廠房內照明等，因此需要做好遮光處理才能保證在線測量的可靠性，一般采用有色亞克力板作為工位防護房來起到遮光作用，如圖4所示。

圖4 激光在線測量防護房

3.4 機器人溫度補償

實踐證明，機器人的內部和外部溫度波動會引起機器人位置產生漂移，如圖5所示，溫度變化主要包括兩個方面：(1)機器人自身的運動發熱，如電機散熱、齒輪等機械構件相對運動摩擦生熱；(2)環境溫度也會影響到機器人自身的熱平衡狀態。通過在工位設置修正基準(基準溫補球)來修正機器人的位置漂移誤差，機器人每完成一個測量循環后對修正基準進行測量，實時修正溫度變化引起的位置漂移誤差，保證測量結果的準確性。

圖5 溫度補償對比

修正基準一般使用對溫度變化不敏感的材料，熱穩定性良好，因此要選用熱膨脹系數較小的材料。目前規劃選用的基體材料是碳化硅，基準球排列分布著若干個直徑為14 mm的基準孔，如圖6所示。

圖6 溫度補償基準球

在線測量工位有4個機器人，共規劃高低8個溫補球，每個機器人設置一高一低兩個基準球，高低搭配的目的是使機器人的6個軸都能完成充分的姿態校核。

4 結束語

近年來，隨著國內汽車制造技術的進步，在線測量技術因其獨特的優勢已逐漸被國內各大主流主機廠應用于汽車關鍵區域的尺寸檢測。

但是，目前在線測量技術還存在一定的局限性，如維護困難、圖形處理技術、參數計算方法等方面還有待提高。隨著在線測量技術的發展和成熟，在線測量技術或將成為檢測的新方向和大趨勢。未來它有可能替代三坐標、由單工位檢測發展為整條生產線檢測、實現整車零件及分總成自動最優匹配等。