基于Perceptron建立某車型焊釘及白車身在線檢測(cè)體系

秦緒軍　楊壯壯　趙峪奇

摘要：以北京奔馳汽車有限公司206車型為基礎(chǔ)，基于Perceptron就螺柱焊釘位置尺寸、車身尺寸和覆蓋件尺寸在線自動(dòng)檢測(cè)以及相應(yīng)的精度控制進(jìn)行了研究，規(guī)劃并建立焊釘位置尺寸在線測(cè)量點(diǎn)76個(gè)，普通測(cè)量特征1373個(gè)測(cè)量點(diǎn)；規(guī)劃并實(shí)施焊釘在線測(cè)量方案以及后端、Z1和Z2.3在線測(cè)量方案；完成在線檢測(cè)工位測(cè)量工裝優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)成了基于Perceptron的V206焊釘及白車身在線檢測(cè)體系建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)了工時(shí)和成本的節(jié)約。

關(guān)鍵詞：Perceptron；螺柱焊釘檢測(cè)；在線檢測(cè)

項(xiàng)目概述

北京奔馳汽車有限公司自205車型起，裝焊生產(chǎn)線開始使用在線測(cè)量設(shè)備來檢測(cè)白車身及覆蓋件尺寸。從最初的照搬學(xué)習(xí)，到對(duì)測(cè)量系統(tǒng)功能的開發(fā)，儲(chǔ)備了大量的測(cè)量精度維護(hù)以及尺寸控制經(jīng)驗(yàn)，形成了一套適用于整個(gè)裝焊白車身尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)的知識(shí)，并多次在集團(tuán)組織的工匠平臺(tái)以及社會(huì)國(guó)內(nèi)大型汽車制造相關(guān)論壇分享在線檢測(cè)尺寸控制經(jīng)驗(yàn)。在206項(xiàng)目伊始，從測(cè)量點(diǎn)的規(guī)劃，測(cè)量方案的制定，到測(cè)量工裝的審核改進(jìn)，將205在線檢測(cè)應(yīng)用的精髓，進(jìn)一步在206在線測(cè)量工位上實(shí)施并拓展。

1.項(xiàng)目實(shí)施背景

以前北京奔馳汽車有限公司對(duì)于螺柱焊釘尺寸波動(dòng)的監(jiān)控，主要是離線三坐標(biāo)測(cè)量和線下檢查工裝檢測(cè)。前者測(cè)量精度高，但是測(cè)量耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，抽查頻次低，不能及時(shí)有效反饋尺寸波動(dòng)；后者如圖1所示，主要靠目視檢查，不能數(shù)據(jù)化，主觀因素多，不能為技術(shù)人員提供有效數(shù)據(jù)支持。2015年，就借助在焊釘上安裝半球間接測(cè)量的方法，通過對(duì)半球的測(cè)量，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)焊釘?shù)淖詣?dòng)化檢測(cè)[1]，如圖2所示。但是這種方案只適合少量重點(diǎn)焊釘?shù)奈恢贸叽缱詣?dòng)檢測(cè)，應(yīng)用范圍受限，不適合大批量焊釘檢測(cè)。在V206項(xiàng)目上，在線檢測(cè)設(shè)備采用Perceptron公司最新的Helix自動(dòng)三維掃描解決方案，即通過機(jī)器人小范圍局部運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的線激光掃描測(cè)量，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺柱的有效測(cè)量。這對(duì)建立螺柱焊釘位置尺寸、建立自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

2.主要問題

206項(xiàng)目規(guī)劃在線檢測(cè)工位13個(gè)，包含相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。其中外覆蓋件采用絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，規(guī)劃左前門、右前門、左后門、右后門、行李箱以及機(jī)蓋6個(gè)在線測(cè)量工位；主線區(qū)域采用相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，規(guī)劃前端、后端、Z1（下體）、滑橇、左側(cè)圍、右側(cè)圍、Z2.3（白車身）共7個(gè)在線測(cè)量工位。涉及13個(gè)在線測(cè)量工位測(cè)量點(diǎn)的選取，以及功能尺寸、局部坐標(biāo)系測(cè)量點(diǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)劃。同時(shí)，還面臨一系列難題，如后端、Z1、Z2.3由于測(cè)點(diǎn)多，測(cè)量節(jié)拍不滿足，需要規(guī)劃測(cè)量方案；在線檢測(cè)工位測(cè)量工裝設(shè)計(jì)改進(jìn)。綜上所述，本項(xiàng)目的主要內(nèi)容有：建立焊釘位置尺寸在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；規(guī)劃13個(gè)在線測(cè)量工位的測(cè)量點(diǎn)；規(guī)劃后端、Z1和Z2.3的測(cè)量方案；設(shè)計(jì)規(guī)劃在線檢測(cè)工裝。

方案規(guī)劃

分類匯總產(chǎn)品安全所涉及的白車身焊釘，建立相應(yīng)的焊釘位置尺寸在線測(cè)量點(diǎn)；匯總各區(qū)域焊釘對(duì)應(yīng)的機(jī)器人，就非關(guān)鍵焊釘制定相應(yīng)的在線測(cè)量點(diǎn)；結(jié)合205尺寸控制經(jīng)驗(yàn)，制定各工位在線測(cè)量點(diǎn)；參考三坐標(biāo)測(cè)量建系點(diǎn)以及測(cè)量支具夾緊點(diǎn)，優(yōu)化改進(jìn)各測(cè)量工位被測(cè)件建系點(diǎn)以及測(cè)量工裝；綜合考慮各區(qū)域節(jié)拍需求，制定合理測(cè)量方案。

1.焊釘及重點(diǎn)關(guān)注特征在線測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃

206白車身總計(jì)有400多顆焊釘，焊釘在線測(cè)量點(diǎn)選取原則：產(chǎn)品安全所涉及的白車身焊釘必測(cè)；每把焊槍選取至少2顆焊釘進(jìn)行尺寸自動(dòng)檢測(cè)。

就Z1區(qū)域而言，總裝產(chǎn)品安全12顆，其余焊釘選取64顆，共計(jì)76顆，如圖3所示。

白車身普通特征在線檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)選取原則：一是裝配過程關(guān)鍵控制點(diǎn)；二是工件，總成和車身關(guān)鍵功能點(diǎn)。

聚焦于過程控制，一是上游過程關(guān)鍵定位點(diǎn)；二是下游過程關(guān)鍵定位點(diǎn)；三是工件配接功能點(diǎn)。

根據(jù)上述測(cè)點(diǎn)選取原則，206 Perceptron在線檢測(cè)普通測(cè)量特征共選取1373個(gè)在線測(cè)量點(diǎn)，具體分布見表1。

2.規(guī)劃在線測(cè)量方案

（1）焊釘在線測(cè)量方案? 考慮到焊釘位置尺寸波動(dòng)多出現(xiàn)在機(jī)器人冷啟動(dòng)時(shí)以及焊槍或焊釘夾頭更換后，采用抽查手段，檢查頻次為：開班和休息后必檢；更換焊槍或焊釘夾頭后必檢；其余時(shí)間每隔兩小時(shí)抽查一次。PLC上位機(jī)上增加調(diào)用焊釘測(cè)量程序選項(xiàng)，每次抽查為連續(xù)3輛車。

（2）通用特征在線測(cè)點(diǎn)測(cè)量方案? 206主線設(shè)計(jì)節(jié)拍是30JPH，其中后端、Z1和Z2.3由于測(cè)點(diǎn)過多無(wú)法滿足節(jié)拍要求，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)車所有測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行測(cè)量，因此需要對(duì)測(cè)量方案進(jìn)行改進(jìn)，考慮到某些關(guān)鍵點(diǎn)的偏差會(huì)影響整個(gè)后續(xù)裝配，甚至直接導(dǎo)致車輛報(bào)廢，如WHP沖孔測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)需要每車必測(cè)，由此，對(duì)HC、UB和Z2.3區(qū)域所有在線測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行分類整理，區(qū)分必測(cè)點(diǎn)和選測(cè)點(diǎn)，這樣采取A+B、A+C測(cè)量方案[2]：A程序?yàn)楸販y(cè)點(diǎn)程序；B和C程序?yàn)檫x測(cè)點(diǎn)程序，這樣既可保證著重關(guān)注點(diǎn)的100%測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)次要監(jiān)控點(diǎn)的測(cè)量頻次為50%，如圖4、圖5所示。

建立體系

根據(jù)已規(guī)劃的在線測(cè)量點(diǎn)，編制各測(cè)量點(diǎn)測(cè)量程序，設(shè)置各參數(shù)并示教；設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控界面及質(zhì)量停機(jī)功能。白車身普通特征在線檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)建立過程與焊釘測(cè)量點(diǎn)類似，下文以焊釘在線測(cè)量體系建立進(jìn)行論述。

建立焊釘在線測(cè)量測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)系

Perceptron測(cè)量系統(tǒng)中建立坐標(biāo)系，利用“N-2-1”原則，取MP1、MP2、MP3以及MP7 4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的Z向確定一個(gè)基準(zhǔn)面，然后取MP4、MP5 兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的Y向確定基準(zhǔn)軸，最后取MP4點(diǎn)X向測(cè)量值的中值確定原點(diǎn)位置，如圖6所示。

設(shè)計(jì)規(guī)劃焊釘在線測(cè)量工裝

我公司焊釘90%在規(guī)劃在Z1下體，以Z1測(cè)量工裝為例，由于Z1下體X向長(zhǎng)度很長(zhǎng)，在測(cè)量時(shí)測(cè)量工裝如果只設(shè)計(jì)4個(gè)Z向支撐點(diǎn)，這樣會(huì)導(dǎo)致Z1中間部位下塌，致使測(cè)量結(jié)果失真，因此，測(cè)量工裝的設(shè)計(jì)需考慮增加輔助支撐，對(duì)圖6中所示MP8和MP9兩處增加Z向輔助工裝，確保在測(cè)量結(jié)果精確性，測(cè)量工裝設(shè)計(jì)如圖7所示。

建立整車坐標(biāo)系下焊釘測(cè)量點(diǎn)

Perceptron測(cè)量系統(tǒng)中在新建的坐標(biāo)系下建立焊釘測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量特征為stud，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)X、Y、Z理論坐標(biāo)值及i、j、k矢量方向，其中一焊釘測(cè)量點(diǎn)理論特征如圖8。測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量點(diǎn)信息設(shè)置完成后，建立測(cè)量系統(tǒng)與外部機(jī)器人通訊ID。

配置機(jī)器人程序

運(yùn)行機(jī)器人，將機(jī)器人TCP位置搖到新建測(cè)量點(diǎn)理論坐標(biāo)值附近，保持焦距在200mm以內(nèi)，調(diào)整測(cè)頭角度，使stud成像靠近視野方框中間，并且盡量使成像有盡量少的噪點(diǎn)，焊釘成像如圖9。找到合適的成像后，記錄TCP位置，并配置該點(diǎn)ID與相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)置的通訊ID一致，編寫測(cè)量語(yǔ)句。

調(diào)試焊釘測(cè)量點(diǎn)算法參數(shù)

所有焊釘測(cè)量點(diǎn)測(cè)量程序編寫完成后，運(yùn)行新的測(cè)量程序，示教新的測(cè)量點(diǎn)，選取合適的掃描線密度以及掃描范圍，調(diào)整曝光度等參數(shù)，使焊釘測(cè)量點(diǎn)6σ＜0.1，如圖10所示。

配置PLC程序

根據(jù)制定好的測(cè)量方案，編寫PLC調(diào)用程序，在主控界面上增加調(diào)用焊釘測(cè)量程序選項(xiàng)，當(dāng)需要抽查檢測(cè)焊釘時(shí)，點(diǎn)選調(diào)用新測(cè)量程序即可，機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)焊釘位置尺寸。

效果

調(diào)試算法完成后，在206系列化生產(chǎn)后每隔兩小時(shí)對(duì)焊釘進(jìn)行抽查檢測(cè)，每次連續(xù)抽查3輛，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊釘位置尺寸的自動(dòng)測(cè)量。通過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)收集后，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)公差，通過對(duì)至少5輛同時(shí)經(jīng)過在線測(cè)量以及三坐標(biāo)離線測(cè)量的比對(duì)后，對(duì)焊釘在線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)總裝裝配狀態(tài)再合理優(yōu)化公差。目前，初步設(shè)置公差為±1，如圖11所示。

結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的實(shí)施，自主規(guī)劃焊釘在線測(cè)量點(diǎn)76個(gè)以及普通測(cè)量特征1373個(gè)，規(guī)劃完成在線測(cè)量方案，設(shè)計(jì)完成在線測(cè)量工裝改進(jìn)，建立了基于Perceptron的焊釘及白車身在線檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了利用在線檢測(cè)設(shè)備大規(guī)模自動(dòng)檢測(cè)焊釘位置尺寸，提高了產(chǎn)品過程控制能力。

同時(shí)，還帶來了可觀的人工節(jié)省效益和成本節(jié)約效益。降低了加工人人工檢測(cè)時(shí)間及勞動(dòng)強(qiáng)度，便于PMK優(yōu)化，按照平均檢測(cè)時(shí)間0.5h/班次，年總節(jié)省人工檢查時(shí)間為0.5h×6天×52周×2班次=312h。另外，此項(xiàng)目大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量，減少焊釘尺寸波動(dòng)流入總裝。