白車身后舉門徑孔安裝的應(yīng)用研究

張佳勇

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

隨著我國汽車市場銷量的不斷攀升及SUV銷量所占的比例逐年提升，SUV車型的競爭日益激烈，并且市場上推出的懸浮式車頂造型廣受消費(fèi)者好評。由于懸浮式車頂造型設(shè)計(jì)，總裝車間安裝與后舉門匹配的外覆蓋件，因此，在小件上加工后舉門安裝擴(kuò)孔，在表調(diào)線使用工裝模擬后舉門與外覆蓋件的匹配，將后舉門安裝到車身上的安裝方式，難以實(shí)現(xiàn)后舉門的精確安裝。使用視覺系統(tǒng)測量外覆蓋件在車身上的安裝定位點(diǎn)，計(jì)算出當(dāng)前車身的后舉門安裝孔位置，然后沖后舉門安裝孔，在表調(diào)線徑孔安裝后舉門[1]。此安裝方式能實(shí)現(xiàn)后舉門與外覆蓋件的精確匹配，提高整車外觀匹配質(zhì)量，并適用于后舉門與車身鈑金直接配合的SUV&MPV等車型。

1 系統(tǒng)組成及工藝流程

后舉門徑孔安裝的關(guān)鍵要素為如何實(shí)現(xiàn)在線沖后舉門安裝孔，因此，本章節(jié)重點(diǎn)研究在線沖后舉門安裝孔。在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)包含車身定位系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和沖孔系統(tǒng)。圖1為在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)。

圖1 在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)

各部件系統(tǒng)的功能如下：①車身定位系統(tǒng)。定位車身，并完成車身在不同工位間的輸送。②視覺系統(tǒng)。測量與后舉門匹配的外覆蓋件安裝定位點(diǎn)，根據(jù)測量信息計(jì)算出后舉門安裝孔位置，并將位置信息傳輸?shù)絇LC。在沖孔系統(tǒng)完成沖孔后，復(fù)測后舉門安裝孔位置，如果復(fù)測結(jié)果超差，工位報(bào)警，車輛進(jìn)入返修工藝[2]。③沖孔系統(tǒng)。根據(jù)PLC中的后舉門安裝孔位置信息沖孔。

在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)工藝流程為：①車身定位系統(tǒng)將車身輸送到?jīng)_孔工位，底板工裝夾緊定位車身[3]；②視覺機(jī)器人測量外覆蓋件的安裝定位點(diǎn)，并計(jì)算沖孔位置；③沖孔機(jī)器人帶沖孔槍到車身上沖后舉門安裝孔；④視覺機(jī)器人復(fù)測后舉門安裝孔，并完成數(shù)據(jù)對比[4]；⑤底板工裝打開，車身被輸送到下一個(gè)工位。

2 計(jì)算沖孔位置

在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)根據(jù)車身狀態(tài)，計(jì)算后舉門的安裝位置。由于后舉門安裝孔在后車頂橫梁上與XY平面平行的平面，并且沖孔過程不會改變后舉門安裝孔的Z坐標(biāo)值，因此只需要確定沖孔位置的X和Y坐標(biāo)值。

2.1 視覺測量點(diǎn)

視覺測量外覆件安裝孔和尾燈安裝孔，確定后舉門安裝孔的Y坐標(biāo)值；測量車頂上的點(diǎn)確定后舉門安裝孔的X坐標(biāo)值。要求視覺測點(diǎn)左右對稱，以達(dá)到后舉門與左右零件配合一致，圖2為視覺測量點(diǎn)。

2.2 計(jì)算沖孔位置

后舉門安裝孔的Y坐標(biāo)需要綜合考慮左右外覆蓋件安裝孔和尾燈安裝孔的位置，X坐標(biāo)需要綜合考慮左右車頂?shù)奈恢茫虼?，沖孔位置計(jì)算公式如下：

式（1）（2）中：X和Y為產(chǎn)品數(shù)模中的后舉門安裝孔坐標(biāo)；X′和Y′為實(shí)際沖孔坐標(biāo)；A為車頂測點(diǎn)；B為外覆蓋件或側(cè)圍外板測點(diǎn)；C為尾燈安裝孔測點(diǎn)；A，B和C為視覺測量值；A′，B′和C′為產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模中坐標(biāo)值；L和R分別表示左側(cè)測點(diǎn)和右側(cè)測點(diǎn)。

圖2 為視覺測量點(diǎn)

3 后舉門徑孔安裝精度

在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)的精度決定后舉門徑孔安裝的精度，影響整車后部零件匹配，因此需要保障在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)的精度。

3.1 誤差的組成及設(shè)備精度

在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)的誤差包含視覺機(jī)器人的重復(fù)性誤差、視覺測量系統(tǒng)的誤差、沖孔機(jī)器人的重復(fù)性誤差、沖孔槍的重復(fù)性誤差、沖孔機(jī)器人以及視覺機(jī)器人的安裝系誤差。

各部件的誤差為：①視覺機(jī)器人。由于視覺設(shè)備質(zhì)量輕，并且測量范圍要求低，視覺機(jī)器人可選用高精度機(jī)器人，例如FANUC的M 710iC，其重復(fù)性誤差為±0.07 mm[5]。②沖孔機(jī)器人。沖孔槍的質(zhì)量在220 kg左右，并且機(jī)器人可達(dá)范圍要求高，因此，需要選用中載或重載的長臂機(jī)器人，例如FANUC的M900iA 260L，其最大負(fù)載為260 kg，可達(dá)范圍為3 100 mm，重復(fù)性誤差為±0.3 mm。③視覺。視覺設(shè)備的誤差由傳感器靈敏度和測量物體表面質(zhì)量決定，其傳感器靈敏度為±0.025 mm，在測量車身的工況下，其測量誤差為±0.05 mm。④沖孔槍。沖孔槍的重復(fù)性誤差為±0.1 mm。⑤視覺機(jī)器人和沖孔機(jī)器人安裝誤差。首先現(xiàn)場通過畫線完成設(shè)備安裝，然后使用激光跟蹤儀根據(jù)底板工裝的定位銷和定位面建立車身坐標(biāo)系。視覺機(jī)器人和沖孔機(jī)器人分別運(yùn)動(dòng)到10個(gè)不同位置，使用激光跟蹤儀測量機(jī)器人在10個(gè)不同位置的坐標(biāo)，計(jì)算出視覺機(jī)器人和沖孔機(jī)器人在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。計(jì)算出的坐標(biāo)存在約±0.5 mm誤差，誤差產(chǎn)生的原因包含建立車身坐標(biāo)系時(shí)產(chǎn)生的誤差、測量誤差、軟件計(jì)算誤差[6]。

3.2 沖孔機(jī)器人和視覺機(jī)器人安裝誤差修正

由于沖孔機(jī)器人和視覺機(jī)器人的安裝系誤差為恒定值，可通過分析實(shí)車數(shù)據(jù)，消除沖孔機(jī)器人和視覺機(jī)器人的安裝系誤差，提升在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)精度。

3.2.1 視覺機(jī)器人安裝誤差修正

左右各選取視覺測量點(diǎn)中的一個(gè)測點(diǎn)n，首先在沖孔工位使用視覺測量測點(diǎn)n，然后將車身放到三坐標(biāo)測量間測量測點(diǎn)n，通過對比視覺測量值和三坐標(biāo)測量值，修正視覺機(jī)器人安裝誤差。其中，視覺測量誤差包含視覺機(jī)器人安裝誤差、視覺機(jī)器人重復(fù)性誤差、視覺測量設(shè)備誤差和底板工裝定位誤差。三坐標(biāo)測量誤差為底板定位誤差。上述誤差，除視覺機(jī)器人安裝誤差以外，均符合動(dòng)態(tài)分布原則。因此，通過收集30組數(shù)據(jù)，計(jì)算出視覺測量和三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下：

式（3）中：σx為X方向的標(biāo)準(zhǔn)差；xi為三坐標(biāo)測量第i輛車的X坐標(biāo)值；xi′為視覺系統(tǒng)測量第i輛車的X坐標(biāo)值。

按照公式（3）分別計(jì)算出X，Y和Z向的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差即是視覺機(jī)器人安裝誤差，將標(biāo)準(zhǔn)差添加到機(jī)器人的坐標(biāo)，即完成視覺機(jī)器人安裝誤差的修正。

3.2.2 沖孔機(jī)器人安裝誤差修正

在完成視覺機(jī)器人安裝誤差修正之后，進(jìn)行沖孔機(jī)器人安裝誤差修正。首先在后舉門沖孔工位使用視覺系統(tǒng)測量，并計(jì)算出沖孔坐標(biāo)并完成沖孔，然后將車身放到三坐標(biāo)測量間測量后舉門安裝孔，通過對比視覺系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)和三坐標(biāo)測量結(jié)果，修正沖孔機(jī)器人安裝誤差。其中，視覺系統(tǒng)計(jì)算出的沖孔坐標(biāo)的誤差包含視覺機(jī)器人重復(fù)性誤差、視覺測量設(shè)備誤差和底板工裝定位誤差。

沖孔系統(tǒng)誤差包含沖孔機(jī)器人安裝誤差、沖孔槍的重復(fù)性誤差和沖孔機(jī)器人重復(fù)性誤差。三坐標(biāo)測量誤差為底板定位誤差。上述誤差，除沖孔機(jī)器人安裝誤差以外，均符合動(dòng)態(tài)分布原則，因此，通過收集30組數(shù)據(jù)，計(jì)算視覺系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，即是沖孔機(jī)器人安裝誤差，其計(jì)算公式如下：

式（4）中：θx為X方向的標(biāo)準(zhǔn)差；xi′為視覺系統(tǒng)計(jì)算出的第i輛車X向沖孔坐標(biāo)值；xio為三坐標(biāo)測量的第i輛車后舉門安裝孔的X坐標(biāo)值。

按照公式（4）分別計(jì)算出X和Y的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差即是沖孔機(jī)器人安裝誤差。由于沖孔機(jī)器Z向的安裝誤差對沖孔精度無影響，因此，將標(biāo)準(zhǔn)差X和Y添加到機(jī)器人的坐標(biāo)，即完成沖孔機(jī)器人安裝誤差的修正。

3.3 后舉門徑孔安裝的精度

完成視覺機(jī)器人安裝誤差修正和沖孔機(jī)器人安裝誤差修正后，在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)精度計(jì)算公式及結(jié)果為：

因此后舉門徑孔安裝的精度為±0.32 mm。

4 結(jié)束語

本文通過研究后舉門在線沖孔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)后舉門徑孔安裝，通過設(shè)備選型和誤差修正，提升后舉門在線沖孔系統(tǒng)精度，保障后舉門徑孔安裝精度。在后舉門與車身鈑金直徑配合的情況下，使用工裝模擬后舉門與外覆蓋件的匹配，其安裝精度為±0.7 mm。

因此，后舉門徑孔安裝能提高后舉門的安裝精度，提高整車后部的外觀匹配質(zhì)量。此外，后舉門徑孔安裝可以減少后舉門安裝工裝，提升白車身生產(chǎn)線的工作效率。對于后續(xù)新車型引入，在線沖后舉門安裝孔系統(tǒng)僅需要更改設(shè)備程序，可以減少新車型引入時(shí)間和投資成本，符合白車身生產(chǎn)線高柔性發(fā)展趨勢，提升汽車制造企業(yè)的競爭力，實(shí)現(xiàn)汽車制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展。