袁兵　解永圣　鞏明鵬

摘 要：激光割孔技術(shù)是利用Vision視覺引導(dǎo)設(shè)備測(cè)量后的數(shù)據(jù)迭代使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)激光割孔。本文介紹了在白車身生產(chǎn)線上利用激光割孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線切割定位孔應(yīng)用，對(duì)在線工藝，機(jī)器人可行性方面進(jìn)行了歸納，總結(jié)了制造過程中對(duì)割孔質(zhì)量主要影響因素，對(duì)這些影響因素進(jìn)行了分析，并給出了控制措施。

關(guān)鍵詞：激光割孔 白車身 尺寸配合 設(shè)備測(cè)量 視覺引導(dǎo)

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0144-04

Abstract：The application of laser cut holes with Vision on BIW vehicles was introduced. At the same time， summarized the online production and robot feasibility analysis. Based on the results of the analysis and study on the quality of laser cut holes， some improved measurements were put forward accordingly.

Key Words：Laser cut holes； BIW； Dimension； Measurement； Visual guidance

1 概述

如今人們對(duì)高柔性，低成本的新技術(shù)在白車身區(qū)域應(yīng)用的研究越來越廣泛。白車身的前部尺寸一直靠人工反復(fù)調(diào)整來保證，存在尺寸配合不穩(wěn)定，人員效率低的問題[1]。為了根本性解決問題，我們引入了白車身綜合Vision系統(tǒng)在線進(jìn)行激光割孔的新技術(shù)。在線激光割孔技術(shù)由于是實(shí)時(shí)的根據(jù)每輛車的實(shí)際尺寸，在水箱上橫梁上切割出相對(duì)于A柱定位孔恒定尺寸的孔，此孔將作為前部大燈支架/翼子板/前蓋的安裝定位孔，使得前部定位穩(wěn)定，減少了生產(chǎn)人員反復(fù)調(diào)整的非增值工作，也提升了原先Vision工位的增值工作[2]。

本文重點(diǎn)介紹了激光割孔在線技術(shù)的流程圖和原理，以及激光割孔在線工藝在白車身上的應(yīng)用特點(diǎn)，并探討了其在應(yīng)用時(shí)遇到的問題以及解決方法，為在線激光割孔工藝技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。

2 機(jī)器人Vision引導(dǎo)系統(tǒng)精度分析

首先介紹機(jī)器人帶Vision引導(dǎo)系統(tǒng)的原理及精度分析，如圖1所示。L1為傳感器相對(duì)于車身坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置度，車身的工藝穩(wěn)定性；L2為視覺傳感器相對(duì)于機(jī)器人法蘭的位置度；L3為機(jī)器人法蘭相對(duì)于機(jī)器人底座的位置度，機(jī)器人自身精度；L4為機(jī)器人底座相對(duì)于車身坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置度，是局部坐標(biāo)系擬合。

以車身坐標(biāo)系原點(diǎn)出發(fā)，至測(cè)量位置結(jié)束，對(duì)應(yīng)關(guān)系為F（L1）=F（L2，L3，L4），其中左側(cè)就是測(cè)量特征的變化量，即車身制造誤差。通過與三坐標(biāo)對(duì)比過程，可以修正測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。右側(cè)就是測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值，意義是指假設(shè)車身不變，測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量精度。L2是Vision系統(tǒng)的精度，通常0.15mm。L3是機(jī)器人的重復(fù)精度，通常0.3mm，；L4局部坐標(biāo)系擬合，通常精度0.1mm。

綜合就是F（L1）測(cè)量值的重復(fù)精度可達(dá)（誤差傳播定律）。

以上分析都是基于這是一個(gè)相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，分析誤差都是基于重復(fù)性精度而不是絕對(duì)精度。

3 Vision結(jié)合激光在線切割技術(shù)

激光在線割孔技術(shù)利用機(jī)器人Vision視覺引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量白車身A柱主定位的實(shí)際尺寸，通過系統(tǒng)迭代計(jì)算水箱上橫梁的偏移量后傳遞給機(jī)器人進(jìn)行切割操作。完成切孔后視覺機(jī)器人對(duì)切孔進(jìn)行測(cè)量，判斷孔徑是否符合要求。切割機(jī)器人主要集成有激光切割頭，氣動(dòng)頂錐，視覺相機(jī)（如圖2），視覺引導(dǎo)機(jī)器人激光切孔后，還會(huì)檢測(cè)廢料脫落情況，若未正常脫落，則氣動(dòng)頂錐前往分離；輔助機(jī)器人配有打磨系統(tǒng)，廢料收集系統(tǒng)，視覺相機(jī)，激光切孔后的廢料依靠切割輔助氣體和管道負(fù)壓進(jìn)行收集，落入廢料儲(chǔ)料箱中。

4 激光在線切割技術(shù)應(yīng)用案例

目前某汽車工廠車身車間已經(jīng)結(jié)合并利用已有工位的常規(guī)Vision測(cè)量設(shè)備來實(shí)現(xiàn)激光在線割孔工藝，該工廠實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)分析如下。

4.1 激光切割機(jī)器人帶Vision系統(tǒng)重復(fù)性分析

目前線上已有Vision工位的系統(tǒng)重復(fù)性：Range≦0.35mm，選用Robot型號(hào)為M-710ic/70。引導(dǎo)系統(tǒng)綜合重復(fù)性計(jì)算結(jié)果為mm，其中系統(tǒng)中各項(xiàng)重復(fù)性指標(biāo)如表1所示。

結(jié)論：切割孔的位置度要求為+/-0.5mm，即Range為1mm（以建系點(diǎn)為基準(zhǔn)），因此0.39mm<1mm，滿足要求。

4.2 定位計(jì)算方式

在線切割Vision測(cè)點(diǎn)選取原則如圖3所示，測(cè)量A柱主定位孔1，（測(cè)點(diǎn)1102XLO/1102XRO），確定X方向，如圖4；測(cè)量A柱一個(gè)面點(diǎn)2（測(cè)點(diǎn)1101SLO/1101SRO），確定Y方向；測(cè)量孔3（測(cè)點(diǎn)0207XLU/0207XRU），確定Z方向。切割孔位置的X，Y，Z向偏差均通過對(duì)特征點(diǎn)的各向測(cè)量值（相對(duì)于車身坐標(biāo)系值）進(jìn)行組合計(jì)算得出[3]。

均值引導(dǎo)偏差計(jì)算：

X向定位計(jì)算：L_X=R_X=（1102XLO_X+1102XRO_X）/2-22219.1

式中：L_X，R_X即為待切割孔的X向offset值，1102XLO_X，1102XRO_X為1102XLO/1102XRO的X向測(cè)量值。

Y向偏差計(jì)算：L_Y=R_Y=（1101SLO_Y+1101SRO_Y）/2

式中：L_Y，R_Y即為待切割孔得Y向offset值，1101SLO_Y， 1101SLO_Y為1101SLO/1101SRO的Y向測(cè)量值。

Z向定位計(jì)算：L_Z=R_Z=0

式中：L_Z，R_Z即為待切割點(diǎn)的Z向offset值，使用0207XLU/0207XRU理論的Z向坐標(biāo)值。

4.3 切割孔實(shí)測(cè)穩(wěn)定性

以上理論計(jì)算結(jié)果通過后，我們?cè)俜治瞿彻S車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控的50組數(shù)據(jù)。如圖5所示，可看出切割孔0206與其臨近孔0207在X向的差異，0206的X向與主定位孔1102的波動(dòng)一致，并且波動(dòng)公差很小，而0207無規(guī)則波動(dòng)，波動(dòng)范圍較大，偶有超差?？梢奦ision引導(dǎo)的切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性能更好的滿足定位孔的尺寸要求。

5 影響切割孔質(zhì)量及尺寸的因素

Vision引導(dǎo)在線割孔技術(shù)在工藝發(fā)展，設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)等方面做了較有成效的工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)白車身前部關(guān)鍵定位孔尺寸控制起到了較大的推進(jìn)作用。然而，在線割孔技術(shù)在車身制造的過程中，仍存在對(duì)測(cè)量及切割的影響因素。

5.1 周圍環(huán)境震動(dòng)的影響

在以上精度計(jì)算中，我們沒有考慮外部環(huán)境對(duì)機(jī)器人精度的影響，比如前后工位的shuttle線工裝的起落，周邊總拼工位工裝切換等的影響，會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生震動(dòng)，從而影響測(cè)量值的精度。前期規(guī)劃的時(shí)候，必須要設(shè)計(jì)獨(dú)立地基來隔開、阻擋振動(dòng)源的傳播。如圖6所示，工位內(nèi)的機(jī)器人、基準(zhǔn)小球、定位工裝、輥床等均安裝在工位地基上，隔離周圍環(huán)境的震動(dòng)及減少地基沉降等變化帶來的影響。

5.2 周圍環(huán)境溫度的影響

通過軟件來計(jì)算補(bǔ)償機(jī)器人本體受溫度影響造成的各軸尺寸偏差，利用傳感器對(duì)低熱系數(shù)的溫度補(bǔ)償球進(jìn)行測(cè)量并與標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，從而補(bǔ)償消除熱影響給機(jī)器人帶來的定位誤差，保證測(cè)量結(jié)果真實(shí)反映車身尺寸波動(dòng)。

5.3 板材厚度及多層板材的影響

在線Vision激光切割對(duì)于厚度小于2mm，切割孔直徑小于10mm的高強(qiáng)鋼，低碳鋼，合金鋁等都有很好的切割性，但在實(shí)際應(yīng)用中，要避免切割兩層板，兩層板之間板材配合很難保證零間隙貼合，而激光穿過間隙后對(duì)第二層板的切割性減弱，使第二次板的孔徑變小或不易脫離。

6 結(jié)語

Vision引導(dǎo)的在線切割孔技術(shù)是一種比較新型的白車身尺寸控制方法，在白車身上重新建立了前部尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系，將水箱上橫梁的大燈支架/翼子板/前蓋定位孔直接與A柱主定位保持對(duì)應(yīng)，縮短了尺寸鏈，在減少了對(duì)總成零件尺寸的要求的情況下，也減少了白車身制造過程的尺寸偏差，同時(shí)減少人員調(diào)整量量，使人員效率提高，在國內(nèi)外各整車制造廠中已逐步得到廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用中充分了解其質(zhì)量控制因素，總結(jié)其解決方法，將進(jìn)一步發(fā)揮在線切割孔技術(shù)的優(yōu)越性，降低生產(chǎn)成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

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[3] 楊玉芳.基于三坐標(biāo)測(cè)量和在線測(cè)量的白車身尺寸控制[J].機(jī)械一體化，2011（6）：92-98.