在汽車工業(yè)中，白車身總成的車身功能尺寸是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，必須嚴(yán)格控制。隨著工業(yè)機(jī)器人在汽車制造中的成功使用，使得機(jī)器人和激光檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)。

        對(duì)于汽車白車身這樣的大批量制造的大型產(chǎn)品，怎樣有效地控制白車身的車身尺寸從而滿足顧客的要求，一直是奇瑞公司白車身質(zhì)量控制的追求。自從奇瑞公司從又快又好的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變到又好又快的發(fā)展戰(zhàn)略,在有效地控制了白車身強(qiáng)度質(zhì)量同時(shí), 車身功能尺寸質(zhì)量的控制被提到了空前的高度上,而機(jī)器人激光檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用為奇瑞公司白車身尺寸質(zhì)量控制提供了保證。

檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

從檢具的運(yùn)用，到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用，到目前機(jī)器人激光檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，車身尺寸檢測(cè)技術(shù)就呈現(xiàn)出非接觸、高智能、高精度和高效率的發(fā)展趨勢(shì)。

自以光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使得汽車車身制造尺寸的100%在線檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，而機(jī)器人激光在線檢測(cè)技術(shù)就能使車身焊裝過(guò)程中各種故障的檢測(cè)更為有效、快捷和準(zhǔn)確，而且還為監(jiān)控工藝裝備的工作狀況、預(yù)報(bào)其可能故障提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

按照激光檢測(cè)系統(tǒng)承載方式可以分為固定式激光檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)。固定式激光檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)原理大致相同,固定式最大的優(yōu)勢(shì)是可以檢測(cè)到機(jī)器人手臂無(wú)法達(dá)到的部位。下面，將著重介紹機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)。

1. 機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)組成部分

機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)由3部分組成，即一個(gè)機(jī)器人、一套激光檢測(cè)系統(tǒng)及一個(gè)終端數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。圖1為機(jī)器人工作示意圖。

圖1 機(jī)器人正在工作

激光檢測(cè)系統(tǒng)為一個(gè)非接觸式三維視覺(jué)傳感器裝置組成，它由2個(gè)在45°方向?qū)ΨQ配置的激光傳感器和一個(gè)位于中心線上的CCD攝像機(jī)組成。激光傳感器用來(lái)檢測(cè)被測(cè)工件型面上某一點(diǎn)在空間的位置；攝像機(jī)用于確定工件型面上1個(gè)孔的大小和形狀（見(jiàn)圖2）。一般來(lái)說(shuō)，3點(diǎn)即可確定1個(gè)圓孔,但是在檢測(cè)時(shí)為了保證孔的大小形狀可以多選取一些點(diǎn),這里我們可以選取30點(diǎn)。對(duì)于不規(guī)則的物體通過(guò)尋找中心,特征邊或角從而確定物體的形狀。

圖2左 激光檢測(cè)示意圖

圖2 右 激光檢測(cè)示意圖

終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由PC計(jì)算機(jī)、交換機(jī)及數(shù)據(jù)處理軟件組成。對(duì)于傳輸回來(lái)的白車身測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),使用VECTOR數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行車身坐標(biāo)偏差處理。圖3為終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖3 終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2. 白車身測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始測(cè)量后，按預(yù)先設(shè)定的測(cè)量路徑帶動(dòng)視覺(jué)傳感器運(yùn)動(dòng)，依次使測(cè)點(diǎn)進(jìn)入到傳感器的測(cè)量區(qū)域內(nèi)，由視覺(jué)傳感器和測(cè)量主機(jī)完成對(duì)圓孔邊緣測(cè)量。

圖4 機(jī)器人坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)圖

如圖4所示，機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)中存在4個(gè)坐標(biāo)系。其中包括，與機(jī)器人相關(guān)的2個(gè)坐標(biāo)系，安裝機(jī)器人時(shí)確定的基坐標(biāo)系統(tǒng)Ob－XbYbZb和機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Oh－XhYhZh，還有車身坐標(biāo)系Ow－XwYwZw和視覺(jué)傳感器測(cè)量坐標(biāo)系Oc－XcYcZc。測(cè)量的結(jié)果即為測(cè)點(diǎn)P在車身坐標(biāo)Ow－XwYwZw下的坐標(biāo)PW。從圖4可以看出

PW=Z×B×X×PC (1)

式中：PC為被測(cè)點(diǎn)P在視覺(jué)傳感器測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；X為機(jī)器人手眼關(guān)系，即機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與視覺(jué)傳感器測(cè)量坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系；B為機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系；Z為機(jī)器人基坐標(biāo)系與白車身坐標(biāo)系之間的位置變換關(guān)系。

式(1)中，由于視覺(jué)傳感器與機(jī)器人末端關(guān)節(jié)剛性連接，測(cè)量過(guò)程中兩者相對(duì)位置不變，所以X在測(cè)量中恒定；同樣，機(jī)器人基坐標(biāo)系相對(duì)于白車身坐標(biāo)系的位置關(guān)系也是不變的，即值恒定，因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定可以將X和Z在測(cè)量前計(jì)算出。B可以由機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及各個(gè)關(guān)節(jié)變量值獲得。通過(guò)以上分析，只要得到檢測(cè)點(diǎn)在視覺(jué)探頭傳感器測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PC，根據(jù)式(1)，即可計(jì)算出P點(diǎn)在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PW。

3. 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

目前，對(duì)攝像機(jī)和激光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定進(jìn)行了大量的研究，并建立了多種成熟的算法,這里我們采用分步求取獲得。

圖5 分步法標(biāo)定示意圖

假如機(jī)器人分別從不同角度對(duì)某一點(diǎn)檢測(cè)2次，見(jiàn)圖5。則存在姿態(tài)1為

1/Z×PW1=B1×X×PCl (2)

姿態(tài)2為

1/Z×PW2=B2×X×PC2 (3)

式中：PW1和PW2為同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在車身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。因此PW1＝PW2，即

B1×X×PCl=B2×X×PC2 (4)

式中：B1和B2根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型是已知的；PCl和PC2是視覺(jué)傳感器的測(cè)量結(jié)果。顯然，如果控制點(diǎn)數(shù)大于3 個(gè)，且控制點(diǎn)不在同一條直線上，X就可以計(jì)算出，再根據(jù)式(1)，可計(jì)算出Z。

機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用

下面介紹的機(jī)器人檢測(cè)主要側(cè)重于白車身，四門兩蓋的檢測(cè)同樣可以使用。不同之處在于兩者載具，前者使用滑撬，后者需使用專用的吊架。

機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用中涉及到測(cè)點(diǎn)選擇,檢測(cè)用于比較的白車身“標(biāo)準(zhǔn)件”選用，機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)的校正功能及檢測(cè)系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì)，以下將從以下方面一一闡述。
1. 白車身測(cè)點(diǎn)的布置原則

在車身生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量的目的是確定過(guò)程控制和不斷改進(jìn)，面向車身工藝過(guò)程穩(wěn)定性控制、功能控制以及焊接過(guò)程中的故障診斷。按照測(cè)點(diǎn)功能的不同，可以將常見(jiàn)的車身測(cè)點(diǎn)分成3類：主要定位點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)、關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測(cè)點(diǎn)和關(guān)鍵控制特征檢測(cè)點(diǎn)。

（1）主要定位點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)布置。車身的生產(chǎn)過(guò)程中使用大量工裝夾具來(lái)完成對(duì)板件的定位并夾緊，確保板件在每次焊接時(shí)空間狀態(tài)保持一致，以保證車身尺寸。但是在生產(chǎn)過(guò)程中，定位銷及定位塊的磨損及松動(dòng)導(dǎo)致定位基準(zhǔn)發(fā)生變化，影響車身的尺寸。

主要定位檢測(cè)點(diǎn)能夠顯著反映其定位狀態(tài)，這些點(diǎn)的設(shè)立將有助于對(duì)由于定位或基準(zhǔn)位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生的制造偏差進(jìn)行識(shí)別和診斷,例如:前/后縱梁定位孔直接影響整個(gè)車身骨架的尺寸。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

（2）關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測(cè)點(diǎn)的布置。轎車外觀形象是否符合人們的審美要求將最先確立顧客對(duì)轎車的滿意程度。關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測(cè)點(diǎn)最先要保證的就是影響轎車外觀形象的關(guān)鍵部位的尺寸要求，具體地講就是影響轎車整車外部型面的配合間隙及配合平整度要求。車身關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測(cè)點(diǎn)布置要根據(jù)整車設(shè)計(jì)時(shí)的配合規(guī)范來(lái)進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，這些關(guān)鍵特征檢測(cè)點(diǎn)主要分布在車身的以下安裝點(diǎn)，如左/右前門安裝孔、左/右后門安裝孔、發(fā)蓋鉸鏈安裝孔及后行李箱艙蓋鉸鏈安裝孔。

（3）關(guān)鍵控制特征檢測(cè)點(diǎn)的布置。關(guān)鍵控制特征點(diǎn)是白車身檢測(cè)點(diǎn)中數(shù)量占絕對(duì)多數(shù)的一類點(diǎn)，因此，它們的合理分布可以有效地減少采樣點(diǎn)數(shù)，而且能正確反映工件在焊裝過(guò)程中的狀態(tài)，以便進(jìn)行夾具故障識(shí)別與診斷。對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品特征檢測(cè)點(diǎn)要相應(yīng)地布置多少個(gè)關(guān)鍵控制特征檢測(cè)點(diǎn)，以及這些點(diǎn)的位置一般位于工裝難以準(zhǔn)確定位的板件上等。這些點(diǎn)的確定主要依靠經(jīng)驗(yàn)積累，而且需要對(duì)生產(chǎn)實(shí)際作出分析了解。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裝配誤差積累的情況來(lái)確定它們的分布，對(duì)于累積裝配偏差大而且容易超差的區(qū)域，要多布置一些關(guān)鍵控制特征檢測(cè)點(diǎn)。

2. 機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)偏差的校正

機(jī)器人激光測(cè)量采用比較測(cè)量的方式，故需要準(zhǔn)備一個(gè)用于“置零”的標(biāo)準(zhǔn)車身進(jìn)行測(cè)量比較。同時(shí)它不同于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)“標(biāo)尺”般的精準(zhǔn),機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)本身有可能存在誤差,再加上與其比較的標(biāo)準(zhǔn)件本身存在誤差,如果發(fā)生積累,將直接影響對(duì)故障判定,所以必須對(duì)以上誤差進(jìn)行消除。

（1）機(jī)器人自校正功能。機(jī)器人進(jìn)行白車身的自動(dòng)焊接時(shí)，由于機(jī)器人運(yùn)行產(chǎn)生熱量易影響到機(jī)器人的運(yùn)行路線精度，而機(jī)器人本身坐標(biāo)系產(chǎn)生的微小偏差將直接影響到測(cè)點(diǎn)在車身的坐標(biāo)系，因此每臺(tái)探測(cè)機(jī)器人細(xì)微偏差靠現(xiàn)場(chǎng)溫度補(bǔ)償小球在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)偏差量來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償。

可編程控制程序（PLC）可以設(shè)定機(jī)器人檢測(cè)N臺(tái)份白車身骨架時(shí)對(duì)小球進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)小球的偏差不斷調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到金屬材料的熱變量,這里采用受熱基本上無(wú)變化的碳纖維材料的小球。

(2)標(biāo)準(zhǔn)車身的校正功能。事實(shí)上對(duì)于沖壓件、焊接件這類性質(zhì)的工件，不可能制成一個(gè)很精確的標(biāo)準(zhǔn)車身,所以一般需對(duì)激光測(cè)量控制系統(tǒng)輸入偏差數(shù)據(jù)作為校正值。因此，可以將主模型進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè),兩者比較后給激光測(cè)量控制系統(tǒng)一個(gè)偏差值做為校正值。

3. 車身控制點(diǎn)的循環(huán)檢測(cè)

從成本考慮， 不可能使用過(guò)多的機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，由于生產(chǎn)節(jié)拍限制,單臺(tái)機(jī)器人測(cè)不可能在單次檢測(cè)中做到全檢，但是可以對(duì)區(qū)域內(nèi)所有的檢測(cè)點(diǎn)分批次多次檢測(cè),做到循環(huán)檢測(cè)，這樣不但可以對(duì)所有點(diǎn)做到100%檢測(cè)，還可以做到隨機(jī)抽樣的效果，更容易預(yù)測(cè)到故障發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于關(guān)鍵控制特征檢測(cè)點(diǎn)偏差數(shù)據(jù)也可以采用SPC分析出具體的故障模式。

4. 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理分析及預(yù)警系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析對(duì)下一步的生產(chǎn)有重要作用?？梢愿鶕?jù)對(duì)已經(jīng)檢測(cè)尺寸的總體分析了解焊接過(guò)程中各環(huán)節(jié)的精度情況，可以從誤差趨勢(shì)中預(yù)測(cè)下一步的焊接精度，以便及時(shí)調(diào)整焊接工藝，防止不合格品的出現(xiàn)。機(jī)器人檢測(cè)到數(shù)據(jù)后使用VECTOR軟件進(jìn)行分析得出該車在車身坐標(biāo)系中的實(shí)際測(cè)量差值為F1、F2、F3……Fn，然后將該車身在實(shí)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差值描繪在同一坐標(biāo)下，就可以了解車身相關(guān)的加工工藝的精度情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，以白車身上測(cè)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析功能中的作用。抽取連續(xù)多點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，其理論值從三坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出“標(biāo)準(zhǔn)車”誤差數(shù)據(jù)。根據(jù)該車身在全部測(cè)點(diǎn)的誤差，用橫坐標(biāo)表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)，縱坐標(biāo)表示相對(duì)理論值的誤差，繪成曲線圖。根據(jù)誤差線相對(duì)允許誤差范圍的偏離程度，可以分析加工器具的磨損狀況，若發(fā)現(xiàn)偏差持續(xù)很大，則系統(tǒng)終端計(jì)算機(jī)給輸出相關(guān)指令，系統(tǒng)外置報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警。

5. 機(jī)器人激光測(cè)量系統(tǒng)的柔性化發(fā)展

現(xiàn)代的汽車生產(chǎn)汽車企業(yè)，考慮到一線一車型成本較高，一般都多車性共線生產(chǎn)，機(jī)器人激光檢測(cè)同樣存在相同問(wèn)題，不可能檢測(cè)單一車型，因此在規(guī)劃生產(chǎn)時(shí)盡量考慮到，機(jī)器人焊接及機(jī)器人激光檢測(cè)柔性化發(fā)展。

利用給滑橇 (存儲(chǔ)端) 安裝存儲(chǔ)有車型轉(zhuǎn)換程序的讀寫頭及主線工位(讀取端)上安裝可以讀取車型轉(zhuǎn)換程序的讀寫頭來(lái)給可編程控制器信號(hào)，控制器接收到信號(hào)后給機(jī)器人信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同車型之間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到共線生產(chǎn)是一種比較理想的生產(chǎn)組織方式。同樣，機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)也可以利用其生產(chǎn)組織方式達(dá)到車型之間切換檢測(cè)的目的（見(jiàn)圖6）。

圖6 檢測(cè)柔性化

結(jié)論

相對(duì)于檢具和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)功用，可以說(shuō)機(jī)器人激光檢測(cè)系統(tǒng)完全可以取代之?？梢圆捎幂o助支架的方式，使用一臺(tái)機(jī)器人激光測(cè)量系統(tǒng)，把需要測(cè)量的車身總成件放置到輔助支架上，就可以實(shí)現(xiàn)激光測(cè)量。激光測(cè)量系統(tǒng)的高智能、高精度和高效率的優(yōu)點(diǎn)將是白車身總成和白車身上的分總成的測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向，必然是激光測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)用代替大量的專用檢具和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量趨勢(shì)。