白鴻

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心）

在以電阻點(diǎn)焊、涂膠及螺柱焊等傳統(tǒng)工藝連接的白車身中，一般包含3 000～5 000個(gè)焊點(diǎn)和數(shù)百個(gè)膠條及螺柱。為了保證白車身質(zhì)量，一般通過(guò)設(shè)置大量的在線或者離線工位，結(jié)合破壞性檢查（擴(kuò)張器破檢）和非破壞性檢查（鑿檢、目視）對(duì)車身質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。此類監(jiān)控方法檢查的范圍越寬，頻次越高，需要配置的專職檢查人員就越多。以某款三廂轎車為例，當(dāng)車型自動(dòng)化率為98%時(shí)，操作工人數(shù)為99名，負(fù)責(zé)檢查的人員為16名，非增值人員多達(dá)增值人員的16%。隨著自動(dòng)化率的提高，操作人員呈逐年遞減趨勢(shì)，而檢查人員卻始終維持著一定的數(shù)量，減員增效勢(shì)在必行。文章以超聲波檢測(cè)、點(diǎn)焊實(shí)時(shí)監(jiān)控及涂膠視覺監(jiān)控為例，闡述了這3種監(jiān)控方法在提高檢查效率、保證檢測(cè)質(zhì)量及節(jié)省人力資源方面的優(yōu)勢(shì)。

1 超聲波檢測(cè)

焊裝白車身中廣泛使用的電阻點(diǎn)焊受鋼板表面狀態(tài)、設(shè)備穩(wěn)定性及零件裝配一致性的影響，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，主要包括虛焊（無(wú)熔核）、弱焊（熔核偏小）、過(guò)燒及燒穿4種。傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控手段在檢查這些缺陷時(shí)均存在較大的弊端，如目視無(wú)法檢查出虛焊及弱焊、鑿檢無(wú)法檢查出弱焊且效率低下，以及存在很多焊點(diǎn)不可敲或者敲不到的情況。使用擴(kuò)張器撕裂白車身的破壞性檢查能全面準(zhǔn)確地反映整車質(zhì)量水平，但頻次太低，一般數(shù)月或者數(shù)萬(wàn)臺(tái)才破檢1次。破檢發(fā)現(xiàn)的缺陷無(wú)法追溯，也會(huì)造成白車身的報(bào)廢。近年來(lái)超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得焊點(diǎn)檢測(cè)多了一種選擇。

超聲波檢測(cè)基于超聲波回波技術(shù)，通過(guò)探頭內(nèi)置的壓電換能器產(chǎn)生超聲波，并接收超聲波在焊接界面多重反射形成的回波[1]520。超聲波原理，如圖1所示。

圖1 超聲波原理圖

由于有缺陷的焊點(diǎn)和合格的焊點(diǎn)其反射的回波長(zhǎng)度、信號(hào)衰減及中間回波是有差別的[2]，經(jīng)過(guò)研究分析及相應(yīng)的破檢對(duì)比驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

1）點(diǎn)焊熔深與超聲波回波數(shù)量及一、二次波之間的高度差存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，回波數(shù)越多，熔深越淺；一次波與二次波之間高度差越大，熔深越深。波形的高度差用衰減率表示，衰減率小于10%通常為弱焊，衰減率在10%～40%通常為合格焊點(diǎn)，衰減率大于40%通常為過(guò)燒。合格焊點(diǎn)及過(guò)燒焊點(diǎn)波形，如圖2所示。

圖2 合格及過(guò)燒焊點(diǎn)波形圖

2）焊核的大小與中間回波相關(guān)，中間回波越高，焊核越小。如用4 mm探頭檢測(cè)無(wú)中間回波，而用5 mm探頭檢測(cè)有中間回波，則焊核直徑在4～5 mm。在實(shí)際運(yùn)用中，可通過(guò)選取和理想焊核直徑相當(dāng)?shù)奶筋^，觀察有無(wú)中間回波的產(chǎn)生來(lái)判斷實(shí)際焊核直徑是否符合標(biāo)準(zhǔn)。電阻點(diǎn)焊中間回波波形對(duì)比圖，如圖3所示。

圖3 電阻點(diǎn)焊中間回波波形對(duì)比圖

采用超聲波設(shè)備進(jìn)行焊點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，為了得到穩(wěn)定的波形，操作人員需要進(jìn)行一定的練習(xí)來(lái)保證探頭垂直于焊接表面。對(duì)于表面存在毛刺的焊點(diǎn)還需要預(yù)先進(jìn)行打磨處理。評(píng)判波形是否穩(wěn)定需要滿足2個(gè)條件：1）一次回波的高度達(dá)到入射聲波高度的80%；2）每次捕捉的波形一致且較為容易捕捉。

由于白車身焊點(diǎn)在空間上分布較廣，導(dǎo)致檢查位置多樣，加之使用環(huán)境較差，所以一般需采用便攜的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。整車廠運(yùn)用較多的為筆記本電腦加便攜測(cè)量設(shè)備或便攜式一體機(jī)。檢查工位可以利用原有線體內(nèi)的焊點(diǎn)鑿檢工位，實(shí)現(xiàn)在線檢查。也可以在生產(chǎn)線邊設(shè)置一個(gè)離線檢查工作臺(tái)架，進(jìn)行抽檢。檢查的結(jié)果由相應(yīng)的輔助軟件自動(dòng)生成，形成質(zhì)量水平報(bào)表。

由于超聲波檢測(cè)技術(shù)的這些特性，某公司將其作為對(duì)傳統(tǒng)焊點(diǎn)檢查方法的補(bǔ)充，引入了超聲波焊點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備，專職檢查目視及鑿檢無(wú)法檢查的焊點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培訓(xùn)和超聲曲線庫(kù)[1]521的完善后，焊點(diǎn)檢測(cè)的速度及準(zhǔn)確度均達(dá)到較高的水平。傳統(tǒng)鑿檢一個(gè)焊點(diǎn)包括恢復(fù)外觀平均需要10 s，而采用超聲波檢查僅需要不到5 s的時(shí)間，效率提高1倍以上，相應(yīng)地檢查人員也只需要原來(lái)的一半。由于在質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)方面的良好收益，該項(xiàng)目在后期的車型項(xiàng)目中得到了推廣使用。超聲波檢查結(jié)果，如表1所示。

表1 超聲波焊點(diǎn)檢查結(jié)果

為了進(jìn)一步提高超聲波檢查的效率及減少操作人員個(gè)體差異帶來(lái)的誤判，近年來(lái)有很多設(shè)備廠家和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)收集和整理不同缺陷焊點(diǎn)超聲波波形的特征值，來(lái)得出缺陷焊點(diǎn)的回波特性曲線，以此為依據(jù)對(duì)缺陷焊點(diǎn)進(jìn)行快速識(shí)別和判定。

2 焊點(diǎn)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控

目前整車廠的焊點(diǎn)監(jiān)控一般通過(guò)離線檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)，也有部分整車廠通過(guò)設(shè)置在線鑿檢工位，選取部分具有代表性的焊點(diǎn)，采用6～8臺(tái)車/個(gè)頻次的輪檢來(lái)保證整車的焊點(diǎn)質(zhì)量。更多的時(shí)候還是通過(guò)加強(qiáng)對(duì)焊接設(shè)備的日常監(jiān)控，來(lái)預(yù)防缺陷焊點(diǎn)的產(chǎn)生，如定期標(biāo)定焊鉗的輸出壓力和輸出電流、定期檢查電極帽的修磨對(duì)中狀態(tài)，以及對(duì)產(chǎn)生分流的原因進(jìn)行排查等。由于上述措施均不能完全杜絕不合格焊點(diǎn)的流出，且耗費(fèi)大量人力物力，因此，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控成為焊接技術(shù)人員的一個(gè)努力方向。

由于電阻點(diǎn)焊的形成是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，其包含了力、熱、電的變化及固-液相的轉(zhuǎn)變，因此焊點(diǎn)形成過(guò)程也必將釋放大量的力、熱、電信息。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行收集，篩選出和焊點(diǎn)質(zhì)量密切相關(guān)、不容易被外界環(huán)境干擾且容易檢測(cè)的信號(hào)，采用數(shù)學(xué)和信號(hào)學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析處理，提取能夠代表焊點(diǎn)質(zhì)量的特征參數(shù)，就可以判斷實(shí)際焊點(diǎn)的質(zhì)量。目前運(yùn)用較多的是動(dòng)態(tài)電阻值監(jiān)控法。

動(dòng)態(tài)電阻值監(jiān)控法所監(jiān)控的電阻主要由接觸電阻和歐姆電阻兩部分組成，如圖4所示。其中接觸電阻包括鋼板間、鋼板與電極間的電阻；歐姆電阻包括鋼板和電極本身的電阻[3]。在鋼板通電焊接的過(guò)程中，這2種電阻有著截然不同的變化，接觸電阻隨著通電時(shí)間的增加而減小，歐姆電阻隨時(shí)間的增加而增大[4]，而由這2種電阻疊加得到的總電阻則呈現(xiàn)出特定的變化曲線，如圖5所示。將實(shí)測(cè)的焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)電阻曲線與合格焊點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻曲線進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)設(shè)定一個(gè)可接受的偏差范圍，來(lái)得到焊點(diǎn)質(zhì)量是否合格的結(jié)論。

圖4 點(diǎn)焊電阻構(gòu)成

圖5 動(dòng)態(tài)電阻變化曲線

經(jīng)焊接設(shè)備廠家的積極研發(fā)，通過(guò)在原有焊接設(shè)備上增加相應(yīng)模塊，測(cè)量次級(jí)回路的電流和電壓值，來(lái)監(jiān)控焊接過(guò)程中的動(dòng)態(tài)電阻值的方法，已經(jīng)在整車廠開始試用。

以某品牌點(diǎn)焊設(shè)備為例，其控制柜中內(nèi)置具有焊點(diǎn)質(zhì)量監(jiān)控功能的SQA模塊。通過(guò)學(xué)習(xí)、對(duì)比、驗(yàn)證及調(diào)整4個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

1）學(xué)習(xí)：監(jiān)控模塊學(xué)習(xí)并記錄動(dòng)態(tài)電阻的參考曲線。對(duì)于普通電阻點(diǎn)焊設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)及每套焊接參數(shù)進(jìn)行1輪試焊，盡量排除影響焊接質(zhì)量的各種因素以獲得合格焊點(diǎn)的參考曲線。

2）對(duì)比：繼續(xù)實(shí)施幾輪點(diǎn)焊，將焊接的動(dòng)態(tài)電阻值（R實(shí)際）曲線與記錄的參考值（R參考）曲線進(jìn)行對(duì)比，得出二者之間的差異值（QA=R實(shí)際/R參考）。

3）驗(yàn)證：破檢焊接試板，測(cè)量熔核直徑，與其對(duì)應(yīng)的QA做對(duì)比，找出QA和焊點(diǎn)熔核直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 焊點(diǎn)熔核直徑與動(dòng)態(tài)電阻差異值（QA）的關(guān)系

4）調(diào)整：根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，手動(dòng)設(shè)定QA，以得到期望的熔核直徑。建議在項(xiàng)目調(diào)試階段進(jìn)行多輪驗(yàn)證及調(diào)整步驟以得到更加精確的QA。在這里將QA設(shè)定為80%以期得到6 mm直徑的焊核，如圖7所示。

圖7 焊點(diǎn)理想熔核直徑的動(dòng)態(tài)電阻差異值（QA）

在實(shí)際運(yùn)用中，SQA對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)測(cè)的QA不在設(shè)定范圍內(nèi)的均會(huì)判斷為不合格，焊柜會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，然后自動(dòng)補(bǔ)焊。整車的焊接質(zhì)量水平則可以通過(guò)焊接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳和統(tǒng)計(jì)，真正做到對(duì)每臺(tái)車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控帶來(lái)的好處除了可以節(jié)省破檢和非破檢帶來(lái)的人力資源浪費(fèi)外，還可以明顯減少由于質(zhì)量問題帶來(lái)的生產(chǎn)線停機(jī)故障，因此其應(yīng)用前景巨大。

3 涂膠視覺監(jiān)控

焊裝白車身上使用的膠大致有密封膠、膨脹膠及折邊膠等幾大類，近些年，為了提高車身強(qiáng)度及減輕質(zhì)量，整車廠紛紛開發(fā)出用來(lái)替代焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)膠。涂膠質(zhì)量的好壞關(guān)系到整車是否漏水及有無(wú)噪聲等用戶感知質(zhì)量水平，結(jié)構(gòu)膠更是影響到車身的強(qiáng)度及安全性能。對(duì)涂膠工藝的改進(jìn)及涂膠質(zhì)量的監(jiān)控一直受到焊裝部門的重點(diǎn)關(guān)注。

較早時(shí)期的涂膠大多采用人工涂加樣板輔助模式，靠人來(lái)保證涂膠的質(zhì)量。隨著機(jī)器人自動(dòng)涂膠的普及，對(duì)自動(dòng)化島里的涂膠質(zhì)量檢查開始變得困難起來(lái)。部分車廠采取在自動(dòng)化島圍欄上開小窗，通過(guò)單獨(dú)的機(jī)器人軌跡來(lái)向操作工展示。展示的頻次一般為數(shù)十臺(tái)1次，保證存在涂膠質(zhì)量問題的零件的可追溯性。隨著對(duì)涂膠質(zhì)量要求更嚴(yán)的結(jié)構(gòu)膠的大量使用，既有的人工目視及抽檢模式顯然不能滿足要求，急需一種全新的監(jiān)控方式。

涂膠實(shí)時(shí)視覺監(jiān)控基于激光技術(shù)和成像技術(shù)，通過(guò)計(jì)算激光反射長(zhǎng)度和拍照的像素點(diǎn)來(lái)得到膠條的長(zhǎng)度、寬度及位置信息。圖8示出涂膠視覺模塊布置位置。涂膠視覺模塊較小，可以集成到涂膠槍上，實(shí)現(xiàn)邊涂膠邊監(jiān)控，如圖8a所示；對(duì)于工時(shí)較富余的工位，也可以選擇將視覺模塊布置在支架上，機(jī)器人抓件移動(dòng)至支架處進(jìn)行拍照監(jiān)控，如圖8b所示。一旦發(fā)現(xiàn)不合格膠條，涂膠機(jī)器人將停止涂膠并報(bào)警，人工將不合格膠條擦去后進(jìn)行重涂。

圖8 涂膠視覺模塊布置位置

以某項(xiàng)目為例，產(chǎn)品部門在地板區(qū)域及地板與側(cè)圍搭接位置設(shè)計(jì)了大量的結(jié)構(gòu)膠，從安全性及法規(guī)性方面考慮，焊裝必須加強(qiáng)對(duì)此類涂膠的質(zhì)量監(jiān)控。根據(jù)重要程度，部分地板區(qū)域的結(jié)構(gòu)膠采用循環(huán)監(jiān)控模式，而地板側(cè)圍連接區(qū)域采用實(shí)時(shí)在線的監(jiān)控模式。圖9示出2種品牌的涂膠視覺設(shè)備。在設(shè)備選用上，循環(huán)監(jiān)控采用SICK品牌的視覺系統(tǒng)（如圖9a所示）與自動(dòng)化可編程邏輯控制器（PLC）直接通訊，而實(shí)時(shí)監(jiān)控則采用AKEO品牌視覺系統(tǒng)（如圖9b所示）和機(jī)器人通訊。2種監(jiān)控方式均需要保證在生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成對(duì)膠條的長(zhǎng)度、直徑、位置以及是否存在進(jìn)行檢查。值得注意的是，與普通的涂膠機(jī)器人軌跡調(diào)試不同，帶監(jiān)控的機(jī)器人軌跡調(diào)試需要考慮到成像質(zhì)量問題，即機(jī)器人的姿態(tài)需要滿足攝像頭能捕捉到清晰的圖像。另外，對(duì)于光線較暗或者對(duì)比度不高的涂膠環(huán)境，需要考慮增加獨(dú)立光源。

圖9 涂膠視覺設(shè)備

雖然目前涂膠視覺監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)膠上，但其以零人力成本帶來(lái)高質(zhì)量保證的巨大優(yōu)勢(shì)，值得推廣運(yùn)用到其他種類的涂膠監(jiān)控上。由于循環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格便宜，對(duì)于節(jié)拍要求不高的生產(chǎn)線或者分裝線，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，推薦采用循環(huán)檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

用機(jī)器人代替人，減少因人工失誤帶來(lái)的不確定因素一直是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。特別是對(duì)于現(xiàn)代汽車工業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)高效率無(wú)人工廠一直是行業(yè)不懈追求的目標(biāo)。以焊點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和涂膠視覺監(jiān)控為代表的監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的以人為主的檢查模式，使得距離無(wú)人工廠的夢(mèng)想更近了一步。對(duì)于其他連接形式，如螺柱焊、弧焊，其無(wú)人監(jiān)控方法的暫時(shí)缺失更是吸引著眾多整車廠及研究機(jī)構(gòu)去探索，期待為汽車工業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。