白車身覆蓋件自動裝配技術探索與研究

摘要： 基于某前驅車項目中多個車型的自動裝配技術調試經驗，對Best-fit技術相關的通用調試流程與方法、投入產出優勢及質量狀態評價等進行了總結。重點介紹了該技術在新車型投產中的實際應用情況，為新項目白車身覆蓋件的裝配尺寸保證提供了前瞻性思考和標準化思路。

關鍵詞：白車身 自動裝配 Best-fit 調試流程

中圖分類號：U466" " 文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240151

Exploration and Research on Automatic Assembly Technology of BIW Panel Parts

Lu Yong， Zhang Jianbo

（Beijing Benz Automotive Co.， Ltd.， Beijing 102600）

Abstract： Based on the experience of commissioning automated assembly technology for multiple models in a front-wheel drive vehicle project， the paper summarizes the general commissioning processes and methods related to Best-fit technology， its input-output advantages， and quality status evaluation. This paper also emphatically introduces the practical application of this technology in the production of new vehicle models， providing forward-thinking insights and standardized approaches for BIW panel parts of new projects to ensure assembly dimensions.

Key words： BIW， Automated assembly， Best-fit， Adjusting process

1 前言

白車身制造的尺寸一致性對整車匹配有著重大影響[1]，同時其覆蓋件裝配質量和過程控制水平也關系到成車的產能和尺寸質量，因此尺寸控制也成為車身質量控制的關鍵[2]。做好新車型的尺寸質量控制工作，可極大縮短開發周期，在不損失質量的前提下實現項目降本[3]。

覆蓋件的自動裝配技術可以在減少裝配誤差的同時極大提升產能[4]。Best-fit自動裝配技術通過多種激光傳感器測量以及專業軟件計算最終擬合出零件間最佳的匹配位姿[5]完成覆蓋件與白車身間的裝配。該技術具有高精度、高穩定性、高柔性的特點，在提升生產節拍、提高裝配效率以及裝配標準化方面有著極大的優勢[6]。

雖然該技術體系在白車身制造中較為先進，但還沒有相對完善的標準和調試策略。基于某前驅車項目，結合各車型尺寸的控制經驗，提出了一套完整的Best-fit技術調試流程和后期投產質量標準以解決裝配尺寸控制問題。

2 Best-fit技術原理

幾何尺寸不僅影響車身制造和裝配過程，還影響產品的功能[7]。因此Best-fit系統會利用帶有傳感器的機械抓手對白車身覆蓋件的幾何尺寸進行測量與計算，最終將工件置于與車身匹配的最佳位置。

為實現這一目標，借助于接收到的傳感器信號（距離傳感器、光線傳感器及視覺傳感器），系統會持續調整機器人位置。

在開始運行前，Best-fit系統須以一個參照物進行設置，如圖1所示小矩形代表機器人抓取的待安裝部件，大多邊形表示車身。該系統通過距離傳感器在4個點測量2個部件之間的距離，將待安裝部件正確放置在車身上的訓練位置（Training Position），此時的傳感器測量結果為標稱值。

Best-fit系統設置的下一步是設定機器人初始位置（Training），在該過程中，機器人沿著每個坐標移動一小段距離，將部件移動到目標位置，同時傳感器的測量值相應變化會被記錄并存儲在靈敏度矩陣中。系統將這些結果重新計算成雅可比矩陣。利用雅可比矩陣，可以追蹤待安裝部件的位置變化，調整機器人的位置，以便將其移動到與車身匹配的正確相對位置。如圖2所示，使用4個現有的傳感器，可以沿著3個坐標進行調節，2個平行自由度X和Z，以及一個旋轉自由度B。

當傳感器的標稱值設置完成，并且初始位置設定完成后，Best-fit系統完全設置完成，可以投入使用。Best-fit系統運行工作過程如圖3所示，機器人抓手抓取零件首先到達車身的初始位置（左圖），然后激活最佳匹配位置控制，傳感器測量零件與車身之間的距離，Best-fit系統計算當前位置與目標位置的相對關系，數據結果傳遞給機器人，機器人沿著指定的方向移動，完成位置修正。

綜上，Best-fit系統工作循環為：

a.捕獲傳感器測量值；

b.計算校正位置并將結果傳遞給機器人；

c.機器人向新的位置移動并不斷修正方向。

如果由傳感器測量值計算出的位置校正值始終較小，則Best-fit系統自動終止位置校正最終狀態下，所有傳感器值都是標稱值，待安裝部件已達到與車身相對的正確位置。

如圖4所示，車身已被移動。因此，在裝配控制開始后，情況如左圖所示。待安裝的部件也將修正并移動到相對車身的正確位置。

如果車身明顯偏離理論位置，待安裝部件則會自動遠離初始位置，為避免機器人不可預見的移動，最大控制距離會被限制，達到控制極限后，機器人停止移動，同時出現相應的錯誤提示。

圖5所示為形狀稍有偏差的零件的位置控制。此時一旦實際值和標稱值之間的偏差均勻分布在所有傳感器上，控制即停止，Best-fit系統根據計算結果將待安裝部件放置在最佳位置。

對于具有形狀偏差的車身，Best-fit最佳擬合的過程與有形狀偏差的部件的裝配過程類似。

3 Best-fit調試流程與方法

3.1 距離傳感器調試

如圖6所示為距離傳感器調整界面。調整距離傳感器時，根據軟件顯示的數值和現場實際情況不斷移動傳感器位置，使軟件顯示數值不斷減小，當在平行狀態下，軟件顯示與零件的距離為“0”時，調整即完成（此時傳感器與零件的實際距離約為20 mm）。

3.2 抓手傳感器調試

首先應確認抓手上所有傳感器的理論位置是否正確，因此首先在待安裝部件上找到并標識出傳感器理論位置，以Z177車型后門抓手調試為例，如圖7所示。將Z177后門進行三坐標測量標注所有抓手傳感器的理論位置，劃線記錄，然后將已劃好線的后門放入上件工裝夾具，定位夾緊，之后令機器人抓手運行到抓件位置，調整傳感器位置使其光束與劃線重合，記錄并保存數據結果。

3.3 裝配位置傳感器調試

首先對整車所有傳感器測量點劃線，劃線時對覆蓋件在整車上的位置精度要求很高，需要將所有定位基準點（Reference Point System，RPS）調整到±0.1 mm以內，包括有一些Best-fit系統會測量的特殊測量點，然后劃線標識。之后將劃線車導入裝配工位，將抓手運行到考核測量位置，調整所有傳感器位置使其光束與劃線重合，如圖8所示，最后記錄并保存數據結果。

3.4 傳感器集成支架調試

如圖9a所示，首先將機器人運行到傳感器集成支架 （Sensor tree）的預設位置上，按照傳感器的編號有序調整。調整時，所有傳感器的位置不動，只通過調整傳感器集成支架上的校驗塊位置，使傳感器的光束與目標校驗塊重合，如圖9b，最后將與校驗塊相關的所有轉接位置鎖緊。

距離傳感器的校驗塊調試稍有不同，目標是將光束調整到與校驗塊凹槽中突起的圓柱位置重合，如圖9c所示。

校驗塊實體位置調整完成后，還需要在軟件中進一步調整傳感器位置。線傳感器在保持光束與校驗塊重合的情況下，需將軟件中的傳感器顯示位置調整到如圖10所示的位置，此時為最佳位置。

距離傳感器在保持光束與校驗塊凹槽中突起的圓柱位置重合的情況下，將傳感器與校驗塊的距離調整到0時為最佳位置（此時傳感器與校驗塊實際距離約為20 mm）。

3.5 Best-fit 穩定性調試

傳感器穩定性直接關系整個測試結果是否準確可靠[8]，因此，傳感器的調試工作全部完成后，為確定傳感器測量的重復性精度，必須進行傳感器系統的靜態穩定性測試，即抓手攜帶待安裝部件移動到考核測量位置。檢具檢測能力以cg表示，機器人抓手攜帶零件移動一個4 mm×4 mm×4 mm的立方體，在每個位置測量100次，如果每個傳感器的70個測量值滿足cg≥1.33的要求，則認為穩定性測試（Mean Failure Units，MFU）通過。需要注意的是，由于鉸鏈和零件之間沒有足夠的空間移動4 mm，對于點傳感器的Y方向的立方體試驗，該值調整為1 mm×1 mm×1 mm。以Z177后門為例，MFU測試700次的測量結果如圖11所示，測量結果為通過。

3.6 裝配穩定性測試

MFU測試通過后，需要對同一零件進行多次重復性裝配，驗證其結果的穩定性。使用同一個白車身、同一個車門、同一對鉸鏈，在相同的裝配過程下，對裝配結果進行測量并記錄數據。對比數據結果的穩定性。如果變化量Δlt;0.3，則穩定性通過。如果Δgt;0.3，則需要逐步排查問題原因，主要從2個方面分析：一是車門裝配到白車身的過程，抓手是否有問題、擰緊過程是否不穩定，二是鉸鏈裝配到車門和裝配到車身的過程，鉸鏈角度是否有變化、鉸鏈抓手是否穩定、車門工裝胎定位塊是否有松動、電動墊片是否穩定、擰緊過程是否穩定等，逐一排查并消除問題后重復裝配穩定性測試，直到Δlt;0.3時，穩定性測試通過，并將測試結果在如圖12所示的 MFU測試結果記錄單中體現。

3.7 尺寸功能調試

如圖13所示，穩定性測試都通過后，開始設置Best-fit系統的初始位置，然后調整設置裝配位置（Mounting Position），將抓手運行到裝配位置，并將此時的終補償（Final Offset）值更改為0，即可針對實際的裝配情況，通過更改終補償值調整車門姿態尺寸。

3.8 數據對比校正

如圖14所示，為保證Best-fit裝配測量結果的準確性，必須定期將Best-fit測量結果與三坐標測量報告進行數據對比校正。

4 Best-fit自動裝配技術的應用

在某車型右前門的裝配穩定性測試過程中，傳感器測量的結果波動非常大，穩定性測試一直不能通過。

為了分析問題的根本原因，對裝配過程中的每一步進行了詳細檢查：

a.上件檢查：檢查各定位面是否有效接觸；檢查夾緊順序是否正確、各夾緊頭是否松動。

b.擰緊檢查：檢查擰緊前鉸鏈與車門鈑金是否有間隙，擰緊過程鉸鏈是否有位移；

c.裝配檢查：檢查裝配過程各位置是否完全到位。

d.測量檢查：檢查傳感器連接是否松動，傳感器測量的程序是否存在錯誤。

經詳細排查，最終發現2個導致穩定性測試不能通過的根本原因。一是工裝夾緊順序錯誤，優化前的夾緊順序為電動墊片（E-shim）、氣缸（Cylinder）、夾具（Clamp）（圖15b所示方向），導致車門在被夾緊后有位置移動。因此將夾緊順序調整為夾具、氣缸、電動墊片（圖15c所示方向），即將氣缸深處變為車門夾緊順序的最后一步。

二是傳感器測量工作開始過早，在與傳感器相連的氣缸還沒有到位的情況下，已經開始測量，導致數據波動，穩定性差。如圖16所示，解決方法為優化傳感器測量程序，將測量時間延后3 s，待傳感器氣缸到達停止位后再開始測量。

問題逐一解決后，再次測試車門的裝配穩定性結果明顯改善，測試通過。MFU穩定性測試結果對比如圖17所示。

5 Best-fit技術投入產出優勢

項目初期156車型調整線（手動裝配）的規劃與Z177車型（Best-fit裝配）大體相同，調整線為8人/單班（未包括裝配線的車門調整4人），完成線共有10人，調整線及完成線人員配比如圖18所示。

Z177車型開始量產（Start of Production， SOP）后，Z177線項目前期調整線共有10人/單班（如果除去4人車門調整，共6人），調整線相比于X156線人員較多，項目初期車門自動裝配的合格率較低，車門區域返修量較大，調整線工作量較多。經逐漸優化后Best-fit線車門區域自動裝配逐漸穩定，人員優化狀態如圖19所示。

Z177車型SOP后2個月內，車門區域的一次性裝配合格率穩步上升，調整線ST30工位優化2人/單班，繼續4個月優化后，Best-fit線車門一次裝配合格率進一步提升，人員狀態如圖20所示。

其中調整線ST40工位優化2人/單班，目前調整線為6人/單班，從 SOP后6個月期間內調整線共優化4人，共節省168萬元/年。

6 裝焊及總裝車間質量評價

經過逐步優化，Best-fit線裝配一次合格率逐漸上升，達到80%以上，單點穩定性良好，80%以上過線車輛不需在裝焊車間內部進行任何人工干預，裝配質量優秀。Best-fit線合格率爬坡圖如圖21所示。其中PT3均值為SOP前最后一個試裝周期平均值。

裝焊車間Bestfit線的交付狀態直接決定了成車在總裝車間的狀態，經過不斷優化，輸入到總裝車間的車身尺寸狀態越來越穩定，總裝調整量及一致性有顯著提升，至總裝車間的成車一次合格率可達95%以上。

同時，Best-fit線會根據白車身與零件匹配狀態進行調整。裝焊車間與總裝車間制定了《外飾間隙平順度標準》，用于指導裝焊白車身尺寸與的調整與優化方向以及與總裝零件的匹配關系。

7 結束語

本文對Best-fit技術應用項目經驗進行了提煉和總結，提出了一套完整的Best-fit技術標準調試流程和質量評價標準，此方案已在MFA2項目中得到了全面應用，效果顯著。

將Best-fit技術原理及特點，通用調試流程與方法，投入產出優勢及裝焊總裝質量狀態評價等方面進行了論述，同時對應用情況及相關成本優勢進行了探討。

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