基于在線檢測和動態(tài)成型前端模塊的工藝研究

徐超,吳何畏,黃海

(1. 湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 襄陽 441053;2. 比亞迪汽車工業(yè)(深圳)有限公司 技術(shù)中心,廣東 深圳 518118)

0 引言

前端模塊(front-end module,FEM)是集成汽車前端零部件的系統(tǒng)零件,作為骨架,集成了汽車前端保險杠、防撞梁、前大燈、冷凝器、散熱器、機(jī)蓋鎖等大量零部件,廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)燃油和新能源汽車。從尺寸鏈的角度來看,車身的尺寸累積偏差會通過前端模塊轉(zhuǎn)移疊加至安裝在其上的零件[1]。公差的累積會帶來車輛行駛安全風(fēng)險,也會導(dǎo)致車輛外觀間隙面差、裝配美學(xué)功能降級或失效等一系列的功能失效問題。

1 前端模塊應(yīng)用概述

典型前端模塊如圖1所示,其集成了前大燈、行人保護(hù)橫梁等部件。

1—前大燈支架;2—空氣擾流板;3—主動進(jìn)氣格柵;4—冷凝器;5—行人保護(hù)橫梁;6—主動格柵執(zhí)行器;7—引擎蓋緩沖塊;8—引擎蓋解鎖拉索;9—前大燈。

前端模塊涉及安全、照明、熱管理和空調(diào)等子系統(tǒng),集成度高、開發(fā)周期長。為了保證零部件安裝的固定強(qiáng)度和輕量化,前端模塊通常采用鋼塑復(fù)合件,加工過程需要應(yīng)用沖壓、注塑、焊接和膠結(jié)等多種工藝,調(diào)試周期長;其與車身合拼時存在局部基準(zhǔn)到車身基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換,在車身基準(zhǔn)下的尺寸缺陷和裝配誤差大。

通常在車身上設(shè)置前端模塊的裝配點,兩者之間的直接裝配關(guān)系如圖2所示,其安裝孔和安裝面的位置難以保證精準(zhǔn)。經(jīng)歷沖壓和焊裝工藝過程后,累積的單件和過程公差如圖3所示。通過公差模擬所得該處的公差達(dá)到±2.3mm,不能夠滿足前端模塊±1.5mm的精度要求。

1—前端模塊框架在車身上的左側(cè)安裝點;2—前端模塊框架;3—車身;4—前端模塊框架在車身上右側(cè)安裝點。

圖3 前端模塊車身安裝面所經(jīng)歷的工序過程公差累積

2 系統(tǒng)設(shè)計

某廠一生產(chǎn)線生產(chǎn)某平臺系列車型,系統(tǒng)規(guī)劃如下:1)設(shè)計采用RFID讀取滑橇上的車型信息,調(diào)取系統(tǒng)中對應(yīng)車型數(shù)據(jù),實現(xiàn)不同車型的白車身測量和沖壓的需求[2];2)由于作業(yè)區(qū)域存在焊接煙塵和光污染,設(shè)計采用視覺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光作為測量成像光源,消除光污染的影響,使得系統(tǒng)具有魯棒性;3)設(shè)計采用Profibus總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)流傳遞,使系統(tǒng)具備同時進(jìn)行測量和作業(yè)的功能[3]。工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程圖

在線檢測與動態(tài)成型工位設(shè)計在白車身側(cè)圍合拼完成之后,共用前序工位的線體,線體上的滑橇能夠單獨(dú)前進(jìn)和后退、頂起和落下,也能夠整體頂起定位和落下放置。考慮到返修可能性,前后各設(shè)計了一個緩沖工位,提高了工位的駕動率,減少了后續(xù)工位的等待時間。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1、2—測量機(jī)器人; 3—測量過渡框架;4、6—沖壓機(jī)器人;5—線體。

2.1 在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)利用投影設(shè)備將單位像素寬度的光柵投射到待測零件表面,通過成角度相機(jī)拍攝得到像素圖像,采用雙目視差原理[4]計算出光柵的中心坐標(biāo),利用迭代法對所得到的每一個像素點的三維坐標(biāo)進(jìn)行擬合,得到三維點云,再通過提取、擬合點云中面和孔特征與理論數(shù)模比對,獲取實際的偏差值[5]。

硬件選用ABB 3DQI系列,此外還包括滑橇信息識別器RFID、監(jiān)視報警裝置和輔助光源。設(shè)計了兩臺設(shè)備同時對左側(cè)、右側(cè)和前方進(jìn)行測量,測量坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 測量坐標(biāo)系的建立

設(shè)計選用左、右側(cè)圍前主基準(zhǔn)孔和翼子板加強(qiáng)板副基準(zhǔn)孔作為測量基準(zhǔn)坐標(biāo),以孔位的z方向作為z方向基準(zhǔn)。左、右相機(jī)分別對車身拍攝得到不同區(qū)域的點云,通過固定在線體上的測量參考點,將兩臺相機(jī)在多個位置測量所得到的點云進(jìn)行拼接得到完整的點云。

在測量軟件中建立測量宏程序,其主要的功能如下。

首先,提取點云中的基準(zhǔn)特征,并將基準(zhǔn)特征對齊到車身坐標(biāo),即將理論位置坐標(biāo)賦值給該特征。以孔的對齊為例,將孔投影到擬合平面,以投影區(qū)域的邊界點為空的邊緣特征點,再通過形態(tài)學(xué)算子隨機(jī)提取3點構(gòu)造出圓[6]。其提取過程如圖7所示。然后,分別提取點云上的孔和面特征,并且和理論值進(jìn)行對比,得到實際偏差。

圖7 點云圓特征提取賦值過程

2.2 動態(tài)成型工藝設(shè)計

所采集的工件表面實際偏差值,通過設(shè)備I/O傳輸至PLC并下發(fā)給沖壓工作站,機(jī)器人以沖壓設(shè)備凹模上的凹模套中心為坐標(biāo)系的原點進(jìn)行標(biāo)定。首先,沖壓設(shè)備上下模打開,機(jī)器人抓取沖壓設(shè)備運(yùn)行到凹模架和零件表面貼合位置;然后,控制可移動式凹模仁運(yùn)動到車身坐標(biāo)的理論位置,凹模仁移動調(diào)整量如式(1)所示,凸模進(jìn)給,進(jìn)行前端模塊安裝點的沖孔和拉延成型。

Ladjustment=Nnonimal-Aactual

(1)

設(shè)計選用TüNKERS Nut Form and Pierce端拾取設(shè)備和機(jī)器人配合進(jìn)行作業(yè),該設(shè)備采用電液伺服,能夠提供最大300 kN的成型力。成型過程如圖8所示。

1—凹模架;2—可移動式凹模仁;3—零件;4—沖頭;5—凸模。

工件為加磷高強(qiáng)度用冷軋鋼HC260P,抗剪切力350MPa,厚度1.5mm,需要沖裁尺寸為14×14mm的兩個孔,在線沖裁力計算[7]如式(2)所示。

P=τLtK=350×112×1.5×1.1=64 680 (N)

(2)

式中:τ為材料抗剪強(qiáng)度;L為沖裁孔的周長;t為板材的厚度;K為安全系數(shù)。

3 系統(tǒng)組態(tài)

3.1 機(jī)器人之間的坐標(biāo)傳遞

工裝坐標(biāo)系對于每個車身都是固定不變的,工裝落位之后會通過激光追蹤儀使用夾具上的基準(zhǔn)孔建立坐標(biāo)系,工裝坐標(biāo)系和車身坐標(biāo)系是一致的。機(jī)器人坐標(biāo)的建立,是通過機(jī)器人走10個點位,使用徠卡激光測量機(jī)器人法蘭盤上的固定點,得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,將機(jī)器人坐標(biāo)和工裝坐標(biāo)綁定。

本文所述的沖壓零件坐標(biāo)是根據(jù)3D掃描的RPS點來建立的,機(jī)器人的沖壓行進(jìn)軌跡是相對于初始化的零件坐標(biāo)系進(jìn)行示教。

首先通過視覺系統(tǒng),獲得初始RPS點的實際值,通過實際值建立圖6的零件坐標(biāo)系。零件坐標(biāo)系相對于初始坐標(biāo)系,獲得轉(zhuǎn)換矩陣(Offset Matrix),如式(3)所示。這個矩陣轉(zhuǎn)換成(x/y/z/Rx/Ry/Rz)6個軸值;6個軸值傳遞給機(jī)器人,對初始坐標(biāo)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn),從而得到?jīng)_壓機(jī)器人執(zhí)行軌跡的實際“子坐標(biāo)系”(圖9)。

圖9 視覺機(jī)器人和沖壓機(jī)器人坐標(biāo)傳遞關(guān)系

(3)

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用Profibus現(xiàn)場總線作為通信協(xié)議,這是運(yùn)用較為廣泛的總線之一。PLC測量機(jī)器人控制系統(tǒng)、在線沖壓機(jī)器人控制系統(tǒng)、工業(yè)計算機(jī)通過Profibus總線進(jìn)行連接,集成工業(yè)計算機(jī)操作站通過可視化屏幕對系統(tǒng)進(jìn)行操作和作業(yè)過程結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。工業(yè)計算機(jī)與數(shù)據(jù)庫通過Ethernet連接,將最終的測量結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)果分析驗證

4.1 節(jié)拍達(dá)成驗證

經(jīng)過實際生產(chǎn)節(jié)拍統(tǒng)計,動態(tài)沖壓工位在不同車型的生產(chǎn)節(jié)拍均能夠滿足110s的節(jié)拍要求。該工站和前序后續(xù)工站的PLC通信正常,未造成前后工位的非計劃停機(jī)。

4.2 尺寸精度達(dá)成驗證

經(jīng)過實際調(diào)試,對動態(tài)成型孔的x、y、z方向上三坐標(biāo)測量值進(jìn)行了長期跟蹤:

公差要求為:±1.5mm;

實際達(dá)成中值:-0.47;-0.50;+0.08;-0.17;-0.17;+0.09;

實際達(dá)成PPK:1.36;1.18;1.91;2.69;1.84;2.78。

結(jié)果表明:PPK值中除1.36有待分析和觀察之外,該設(shè)計能夠明顯地改善前端框架在車身上安裝點的尺寸精度問題,測量結(jié)果跟蹤圖如圖10所示。

圖10 測量結(jié)果監(jiān)控數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文闡述了針對前端模塊的在線檢測和實時動態(tài)調(diào)整,該設(shè)計能夠顯著改善公差積累所帶來的偏差,其應(yīng)用不僅限于前端框架,在白車身尾門安裝點等尺寸鏈較長場合均可以運(yùn)用。由于生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜多樣,測量系統(tǒng)自身的誤差而導(dǎo)致的線性和偏倚值如何補(bǔ)償,因本文篇幅所限,不再贅述。