基于激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)的汽車零部件在線測(cè)量系統(tǒng)分析

鄧悅星

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海 201807）

我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中汽車工業(yè)是大型工業(yè)的代表之一。汽車的生產(chǎn)過程涉及內(nèi)容廣泛，隨著線上測(cè)量和線下測(cè)量項(xiàng)目類型的日益增加，對(duì)大批量生產(chǎn)零件的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。提高大尺寸和復(fù)雜箱體等零件的測(cè)量精度，已經(jīng)成為當(dāng)下需要解決的技術(shù)難題[1-2]。當(dāng)前的汽車生產(chǎn)過程中需要檢測(cè)車身的總成關(guān)鍵點(diǎn)，如車窗和車門等。如果不達(dá)標(biāo)，就會(huì)出現(xiàn)封閉不嚴(yán)和漏風(fēng)的情況。傳統(tǒng)檢測(cè)采取的是人工排模法，效率低下，檢測(cè)精度差[3]。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)存在一定的限制，只能離線定期抽樣檢測(cè)，效率低下，無(wú)法滿足現(xiàn)代化發(fā)展需要。文章基于激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與研究。

1 基于激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)概述

以視覺檢測(cè)技術(shù)和激光測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)設(shè)計(jì)的在線測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)諸多，既有光學(xué)測(cè)量的高效性，又兼具機(jī)器人測(cè)量的柔性，能夠針對(duì)汽車車身和相應(yīng)的零部件進(jìn)行100%的在線尺寸監(jiān)控。圖1為汽車零部件使用的在線測(cè)量系統(tǒng)示意圖，通常使用標(biāo)準(zhǔn)的四機(jī)器人進(jìn)行測(cè)量，共占地面空間約6 m×8 m。它主要由測(cè)量機(jī)器人和軟件、傳感器附件和電纜、柔性和固定式的傳感器、溫度補(bǔ)償裝置以及測(cè)量控制柜等組成。

圖1 在線測(cè)量系統(tǒng)

在線測(cè)量時(shí)，首先利用模擬機(jī)器人的軌跡行徑制訂實(shí)際工作線路，保障各個(gè)機(jī)器人工作過程不會(huì)干涉其他被測(cè)工件的各項(xiàng)操作，高效完成測(cè)量工作。其次，設(shè)定地面的控制點(diǎn)作為測(cè)量的固定點(diǎn)開展全局綜合跟蹤服務(wù)，利用全局相機(jī)捕捉實(shí)時(shí)有效的傳感器位置，并依據(jù)地面控制模塊進(jìn)一步精確調(diào)整相關(guān)傳感器的位置。最后，利用光學(xué)成像即利用三維掃描傳感器生成相應(yīng)的光學(xué)成像，經(jīng)被測(cè)物體對(duì)激光產(chǎn)生相關(guān)效應(yīng)，以在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)位移，再生成在實(shí)時(shí)分析過程中需要運(yùn)用到的幾何特征點(diǎn)云，經(jīng)算法進(jìn)行提取和解算后實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的在線檢測(cè)。

2 汽車行業(yè)的在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

汽車項(xiàng)目有較多的整體規(guī)劃，最初期項(xiàng)目規(guī)劃到交付使用期間，激光在線測(cè)量經(jīng)歷了多個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 線測(cè)量項(xiàng)目實(shí)施流程

2.1 項(xiàng)目規(guī)劃

2.1.1 在線測(cè)量工位安裝布置

在線測(cè)量工位安裝布置是一種用于汽車批量生產(chǎn)部件的監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠在線測(cè)量批量生產(chǎn)的零部件尺寸。一般情況下，它主要將其串聯(lián)于生產(chǎn)流水線，以測(cè)量尺寸為核心目的，位于生產(chǎn)線末尾的工位。

2.1.2 在線測(cè)量測(cè)點(diǎn)的定義和規(guī)范

汽車都有在線測(cè)量的工位，如何利用此數(shù)據(jù)促使在線測(cè)量發(fā)揮其重要作用是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置的選擇、分布等相關(guān)工作至關(guān)重要[4-5]。根據(jù)不同廠區(qū)選擇測(cè)點(diǎn)，開發(fā)人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的人員根據(jù)生產(chǎn)過程積累的歷史總結(jié)，結(jié)合功能尺寸進(jìn)行選擇。為了有效提高效率，提出分區(qū)域預(yù)警理念，主要是有效劃分測(cè)點(diǎn)，即依據(jù)測(cè)點(diǎn)位置的重要性設(shè)置相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)分布，通過固化70%～80%的測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)選擇中實(shí)現(xiàn)較高的延續(xù)性，集中呈現(xiàn)報(bào)警區(qū)域，最終找出實(shí)際存在的問題。

2.2 設(shè)備安裝調(diào)試

測(cè)點(diǎn)定義結(jié)束才能開展后續(xù)工作，此時(shí)需依據(jù)在線測(cè)量系統(tǒng)模型圖將各個(gè)裝置安裝到位，主要安裝的是測(cè)量機(jī)器人和軟件、傳感器附件和電纜、柔性和固定式的傳感器、溫度補(bǔ)償裝置以及測(cè)量控制柜。測(cè)量階段要重視振動(dòng)和光照等干擾性較強(qiáng)的因素，同時(shí)嚴(yán)格控制測(cè)量位置和使用的算法。針對(duì)在線測(cè)量系統(tǒng)開展相關(guān)的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，以確保在線測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.1 靜態(tài)精度測(cè)試

固定夾緊汽車的零件，開始靜態(tài)測(cè)試。利用激光針對(duì)每一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行100次的反復(fù)測(cè)試，要求測(cè)完零件所有測(cè)點(diǎn)。依據(jù)靜態(tài)測(cè)試得出不同測(cè)點(diǎn)的值，其中最重要的是6 Sigma值，能有效反映此次測(cè)試的最終精準(zhǔn)度。靜態(tài)測(cè)試要求6 Sigma必須低于0.03。本次測(cè)量結(jié)果顯示，所有測(cè)點(diǎn)6 Sigma數(shù)值全部低于0.03，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 半動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

完成靜態(tài)測(cè)試后才能開始半動(dòng)態(tài)測(cè)試。測(cè)完一次零部件的全部測(cè)點(diǎn)，再循環(huán)測(cè)試15次，每次測(cè)試前要把夾具松開，重新放置定位點(diǎn)。依據(jù)半動(dòng)態(tài)測(cè)試得出不同測(cè)點(diǎn)的各個(gè)值，發(fā)現(xiàn)它和靜態(tài)精度測(cè)試均是由6 Sigma值反映精度的。半動(dòng)態(tài)測(cè)試的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也要求6 Sigma低于0.03。相關(guān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量出的半動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示，所有測(cè)點(diǎn)的半動(dòng)態(tài)測(cè)試6 Sigma數(shù)值全部低于0.03，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

完成靜態(tài)與半動(dòng)態(tài)的測(cè)試后才能開展動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)定汽車零件的所有測(cè)點(diǎn)，松開夾具，放置下一個(gè)零件并夾緊定位測(cè)量，運(yùn)用在線測(cè)量系統(tǒng)模擬測(cè)試生產(chǎn)線節(jié)拍，確定測(cè)量周期。依據(jù)與量產(chǎn)時(shí)節(jié)拍相似的情況，主要輸送汽車車身的零部件、零件定位以及零件夾緊。

評(píng)價(jià)測(cè)量設(shè)備的實(shí)用性，主要通過測(cè)量設(shè)備的測(cè)量極限偏差與公差，然后進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。動(dòng)態(tài)測(cè)試公式為

其中，有

式中：us為傳感器的測(cè)頭精度；uKal為傳感器測(cè)頭測(cè)量偏差；uw為動(dòng)態(tài)測(cè)試測(cè)量偏差。

2.3 相關(guān)性調(diào)整

三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)是一種常規(guī)的測(cè)量方法，雖然在當(dāng)前受到廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可，但現(xiàn)代化發(fā)展中需要新技術(shù)來(lái)優(yōu)化和改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)。激光在線測(cè)量是一種新型測(cè)量技術(shù)，仍需要進(jìn)一步明確測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。依據(jù)VDI-VDE標(biāo)準(zhǔn)儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)測(cè)量與三坐標(biāo)測(cè)量為線性關(guān)系。對(duì)比兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算它們的相關(guān)性，并驗(yàn)證在線測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量。

以某車型的零部件為案例進(jìn)行分析，使用激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)在線測(cè)量與三坐標(biāo)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)性，得出兩者的相關(guān)系數(shù)r，即

激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)在線測(cè)量與三坐標(biāo)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比后顯示，2種不同的測(cè)量方法相關(guān)性和一致性較高，進(jìn)一步表明了以激光和視覺為基礎(chǔ)的在線測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性較高。

2.4 批量質(zhì)量監(jiān)控及優(yōu)化

依據(jù)分析可以根據(jù)測(cè)點(diǎn)的重要性劃分，經(jīng)軟件處理，對(duì)三級(jí)監(jiān)控的尺寸公差進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，即趨勢(shì)報(bào)警、報(bào)警、停線報(bào)警的公差。在線測(cè)量原始公差為一般公差，而報(bào)警公差則是圖紙公差的2倍，停線公差則是圖紙公差的3倍。

對(duì)于圖紙點(diǎn)，當(dāng)1臺(tái)車超出30%的圖紙點(diǎn)高于停線公差，或者5臺(tái)車連續(xù)同一圖紙點(diǎn)出現(xiàn)超差情況即是停線一次。對(duì)于普通公差，當(dāng)1臺(tái)車超出20%的公差點(diǎn)高于停線公差，或者5臺(tái)車連續(xù)同一FM點(diǎn)出現(xiàn)超差情況即是停線一次。對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)控公差，高于停線公差即停線一次。

利用高效的在線測(cè)量技術(shù)能準(zhǔn)確快速找出存在的質(zhì)量問題并優(yōu)化零件，避免車身出現(xiàn)質(zhì)量問題。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)的需求。以激光測(cè)量技術(shù)和視覺測(cè)量技術(shù)作為核心的在線測(cè)量系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，受到了汽車生產(chǎn)廠家的重視。分析可知，在測(cè)量附件的配合下，激光和視覺測(cè)量系統(tǒng)更符合當(dāng)前市場(chǎng)的需求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。在測(cè)量部分大尺寸和較為復(fù)雜的零部件時(shí)，使用在線測(cè)量技術(shù)效果突出。