代 巍， 韋慶恒， 謝 寧， 何道聰， 楊 華

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007； 2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410205）

0 引言

汽車的制造質(zhì)量是由制造業(yè)發(fā)展水平?jīng)Q定的， 目前我國(guó)在汽車制造裝備，自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)，生產(chǎn)性能檢測(cè)等方面都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模， 但在先進(jìn)性方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家都存在著非常大的差距， 這些差距嚴(yán)重影響著中國(guó)汽車制造工業(yè)水平的提高。 因此只有發(fā)展高端的檢測(cè)裝備， 并掌握核心技術(shù)， 才能提升我國(guó)汽車制造業(yè)發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)汽車強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

在汽車白車身制造過(guò)程中， 焊接是主要連接工藝方法， 如典型的白車身通常由250 多個(gè)有復(fù)雜空間曲面的薄板沖壓零件在55～75 個(gè)裝配站生產(chǎn)線上大批量快節(jié)奏的焊接而成，裝夾、定位點(diǎn)達(dá)到1700～2500 個(gè)，焊點(diǎn)多達(dá)4000～5000 個(gè)。 車身焊點(diǎn)質(zhì)量直接決定了車身裝配質(zhì)量以及整車安全性、舒適性及可靠性等。 目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)都是采用人工手動(dòng)方式進(jìn)行抽檢。

國(guó)內(nèi)外尚無(wú)焊點(diǎn)在線檢測(cè)裝備， 甚至單個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)理論、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也受國(guó)外嚴(yán)密封鎖，造成了車身大批量生產(chǎn)的高效率與人工質(zhì)量檢測(cè)的可靠性差， 以及低效率的矛盾。 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)焊點(diǎn)在線檢測(cè)裝備、焊點(diǎn)評(píng)價(jià)，暫屬于空白與人工大批量檢測(cè)效率低的問(wèn)題， 本文設(shè)計(jì)了基于工業(yè)PC 的工業(yè)機(jī)器人的超聲波自動(dòng)化焊點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備解決以上問(wèn)題。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)部分

1.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)原理

為了實(shí)現(xiàn)超聲波探頭跟隨機(jī)器人手臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)集成超聲探頭、激光測(cè)距儀、光源、相機(jī)一體的超聲探頭夾具。 將超聲探頭夾具通過(guò)法蘭固定與工業(yè)機(jī)器人末端， 從而實(shí)現(xiàn)超聲波探頭能夠?qū)崟r(shí)地跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)解析

超聲探頭夾具包括超聲探頭、激光測(cè)距儀、光源、相機(jī)，如圖1 所示。超聲波探頭和激光測(cè)距儀分別位于夾具兩側(cè)，光源與相機(jī)位于中心。 一開始夾具跟隨機(jī)器人在原點(diǎn)位置，當(dāng)檢測(cè)開始時(shí)，超聲波探頭夾具會(huì)根據(jù)事前示教好了的機(jī)器人軌跡運(yùn)動(dòng)至需要檢測(cè)的焊點(diǎn)位置。 相機(jī)與激光測(cè)距儀對(duì)焊點(diǎn)的表面三維進(jìn)行測(cè)量得出焊點(diǎn)位置偏差， 反饋給機(jī)器人進(jìn)行位置補(bǔ)償， 最后引導(dǎo)超聲探頭到焊點(diǎn)上進(jìn)行檢測(cè)。 超聲波探頭對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)完成后進(jìn)行下個(gè)焊點(diǎn)檢測(cè)， 直至檢測(cè)完成所有焊點(diǎn)檢測(cè)， 然后回到機(jī)器人原點(diǎn)位置。

圖1 超聲波夾具機(jī)械部分設(shè)計(jì)數(shù)模

2 焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

2.1 超聲波焊點(diǎn)檢測(cè)原理

如圖2（a）所示，根據(jù)點(diǎn)焊原理，通過(guò)對(duì)焊接工件施加壓力和通電流，利用材料的電阻熱，使母材熔化或達(dá)到塑性狀態(tài)，在持續(xù)壓力作用下形成金屬結(jié)合。 焊點(diǎn)質(zhì)量主要受電流、電極壓力、焊接時(shí)間、電極形狀、材料性能及工件表面狀況等因素的影響。 通過(guò)控制焊接工藝參數(shù)與焊接條件， 可制成不同品質(zhì)的焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的定義。 利用超聲信號(hào)在不同介質(zhì)間傳輸時(shí)產(chǎn)生的波形反射和透射時(shí)的傳播衰減情況，引入超聲檢測(cè)原理，如圖2（b）所示，超聲波探頭的壓電晶片經(jīng)激勵(lì)裝置的高壓脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而產(chǎn)生超聲波。 超聲波經(jīng)水柱、薄膜和耦合劑入射到焊點(diǎn)工件中。 在焊點(diǎn)內(nèi)部，焊點(diǎn)焊核質(zhì)量的差別， 因而造成超聲波的信號(hào)具有不同的特性。在傳播的同時(shí)，焊點(diǎn)母材和焊核等介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收和散射造成了超聲波信號(hào)序列的衰減。 超聲波在焊點(diǎn)內(nèi)部中來(lái)回反射、透射和衰減后，形成脈沖回波序列，超聲回波序列通過(guò)超聲波探頭的壓電晶片的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)處理，形成如圖2（b）中所示的脈沖回波序列根據(jù)脈沖回波序列中回波時(shí)間間隔、峰值的衰減情況等相關(guān)時(shí)頻特征[1，2]，可對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

圖2 超聲波焊點(diǎn)檢測(cè)原理

2.2 超聲波焊點(diǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)建立

通過(guò)人工制作8000 余個(gè)焊點(diǎn)樣件，對(duì)其超聲數(shù)據(jù)采集并利用算法尋優(yōu)計(jì)算， 建立了8 種厚度組合的焊點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)仿真建模分析與算法尋優(yōu)結(jié)合的方法，建立了1.2～3.0mm 厚度范圍內(nèi)的兩層板焊點(diǎn)及2.9～3.9mm 厚度范圍內(nèi)的三層板焊點(diǎn)的特征數(shù)據(jù)計(jì)算公式。 實(shí)現(xiàn)了1.2～3.9mm 厚度范圍內(nèi)所有焊點(diǎn)的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基于高頻超聲的汽車焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 電控部分設(shè)計(jì)

電控部分選用AB PLC 和工業(yè)PC 作為控制單元。 控制部分的總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示： 以PLC 和PC 機(jī)作為控制的核心。 PLC 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)車型信息、夾具狀態(tài)信息、光柵信息與工位安全信息的接收與處理。 PC 機(jī)負(fù)責(zé)接收處理機(jī)器人末端夾具系統(tǒng)的視覺(jué)圖像信息、 機(jī)器位置狀態(tài)信息與超聲波探頭采集回來(lái)的焊點(diǎn)信息， 最終通過(guò)對(duì)應(yīng)的處理形成焊點(diǎn)信息數(shù)據(jù)分析報(bào)告輸出。

圖3 控制部分總體結(jié)構(gòu)

3.1 感知控制設(shè)計(jì)

夾具上集成有超聲探頭、激光測(cè)距儀、光源、相機(jī)用于感知提取焊點(diǎn)的三維的位置信息，并通過(guò)串口與以太網(wǎng)傳將數(shù)據(jù)信息送至PC 機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到焊點(diǎn)中心在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置信息， 然后通過(guò)PC 機(jī)發(fā)送給機(jī)器人引導(dǎo)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的超聲探頭夾具運(yùn)動(dòng)到焊點(diǎn)正上方，進(jìn)行焊點(diǎn)質(zhì)量信息提取與評(píng)價(jià)。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)

當(dāng)白車身到達(dá)工位后， 啟動(dòng)機(jī)器人按照事前約定好的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人由PLC 控制，PLC 通過(guò)Ethernet 發(fā)送啟動(dòng)命令控制機(jī)器的啟動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定焊點(diǎn)位置時(shí)，相機(jī)開始拍照。 相機(jī)的拍照動(dòng)作由PC 機(jī)通過(guò)Ethernet 發(fā)送指令進(jìn)行控制， 當(dāng)發(fā)送拍照命令時(shí)相機(jī)拍照一次。 激光測(cè)距儀通過(guò)RS232 串口進(jìn)行控制。 當(dāng)發(fā)PC 機(jī)通過(guò)串口送2 時(shí)，激光測(cè)試一次。 超聲波探頭對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的信息讀取由機(jī)器人控制，當(dāng)機(jī)器人R[1] =1 時(shí)，PC 開始讀取超聲波探頭采集回來(lái)的數(shù)據(jù)， 當(dāng)機(jī)器人中的寄存R[2]=2 時(shí)超聲波探頭則停止采集[3-5]。 然后開始進(jìn)入下一個(gè)焊點(diǎn)的檢測(cè)。

4 控制程序設(shè)計(jì)

產(chǎn)線運(yùn)行工作，當(dāng)車身進(jìn)入工位時(shí)，系統(tǒng)為先檢測(cè)車身是否到位、安全信號(hào)是否正常、機(jī)器人是否在原點(diǎn)位置檢測(cè)，以確保工位的安全與正常檢測(cè)作準(zhǔn)備工作。當(dāng)確認(rèn)安全信號(hào)正常同時(shí)接收到允許檢測(cè)的信號(hào)時(shí)， 焊點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)開始啟動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)。 具體工作步驟如圖4 所示。

圖4 邏輯控制流程圖

5 樣機(jī)試驗(yàn)

通過(guò)制作樣機(jī)與編程調(diào)試制作完成了基于超聲波的自動(dòng)化焊點(diǎn)在線檢測(cè)樣機(jī)，如圖5 所示。

相比與人工手動(dòng)焊點(diǎn)檢測(cè)， 使用基于超聲波的自動(dòng)化焊點(diǎn)檢測(cè)裝備，實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)自動(dòng)化檢測(cè)功能，同時(shí)解決了只能依靠人工抽檢方式效率低下問(wèn)題， 極大的提高了檢測(cè)效率。人工檢測(cè)嚴(yán)重依賴檢測(cè)人的經(jīng)驗(yàn)，人為因素對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)的干擾較大，而工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定高、可靠性高、定位精度高，為自動(dòng)化焊點(diǎn)檢測(cè)的高穩(wěn)定性提供了保證。 自動(dòng)化焊點(diǎn)檢測(cè)裝備的開發(fā)也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)理論、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與焊點(diǎn)質(zhì)量自動(dòng)化檢測(cè)的空白，為我國(guó)的汽車制造產(chǎn)業(yè)質(zhì)量的提供了技術(shù)保障。

圖5 焊點(diǎn)質(zhì)量自動(dòng)化檢測(cè)樣機(jī)

6 結(jié)論

本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的超聲波自動(dòng)化焊點(diǎn)檢測(cè)裝備進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、試驗(yàn)、使用，得到如下結(jié)論：

該焊點(diǎn)檢測(cè)裝備能夠在生產(chǎn)線使用， 代替人工檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

機(jī)械接口設(shè)計(jì)比較精簡(jiǎn)， 在使用的過(guò)程易于按照與拆卸，同時(shí)也便于維護(hù)，平時(shí)使用的只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的探頭檢測(cè)耦合劑添加即可。

基于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)， 有效的保證了自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)的可靠性、穩(wěn)定性。 實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)質(zhì)量自動(dòng)化檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率。