馮一蛟

淺析三維定位系統(tǒng)在汽車緊固件裝配中的應用

馮一蛟

（上汽通用汽車有限公司，上海 201201）

簡介了三維定位系統(tǒng)的基本結構與機制，并運用到汽車緊固件的裝配過程中，實現(xiàn)自動監(jiān)控緊固件安裝順序與安裝位置的功能，提高了過程質量的檢測能力而且節(jié)約了操作人員的工時。三維定位系統(tǒng)具有模塊集成度高，布置柔性好，實用性強等特點，可適用于生產(chǎn)線緊固件防錯的應用場景。文章還結合實際案例論述了三維定位系統(tǒng)對汽車緊固件裝配的影響并歸納總結了相關的應用策略。

汽車裝配；定位；監(jiān)控；緊固件

1 汽車緊固件裝配概述

緊固件素有“工業(yè)之米”的美譽，在整車系統(tǒng)中也是最為常見的零件之一，其主要作用是保證機械結構的可靠連接。在汽車裝配過程中，緊固件以螺紋連接、焊接、鉚接等形式為主，裝配操作看似簡單但卻涉及到了諸多產(chǎn)品特性及工藝要求。

對于緊固件產(chǎn)品特性而言，一般涉及的參數(shù)為扭矩、轉速、尺寸大小和材質等。對于緊固件的工藝特性而言，一般涉及取料、預裝、緊固和檢查等操作步驟。最終的裝配要求是選取準確數(shù)量緊固件，并按照規(guī)定的順序使用正確的參數(shù)去擰緊正確位置的緊固件。目前，整個過程中基本依賴人工識別的方法。隨著對于緊固件裝配質量要求不斷提升，使得汽車主機廠迫切地尋求更智能更高效的手段來監(jiān)控與記錄緊固件的裝配過程。

2 三維定位系統(tǒng)概述

2.1 定位系統(tǒng)與緊固件裝配

目前緊固件裝配過程中亟待突破的方面是對于緊固順序，緊固位置以及緊固數(shù)量的動態(tài)監(jiān)控。而定位系統(tǒng)具有定位、測距以及計數(shù)等功能可以匹配緊固件裝配過程的需求，同時緊固件標準化程度高，位置固定，路徑明確的特點為定位系統(tǒng)提供了良好的工作條件。因此，可以看出兩者能產(chǎn)生較好的關聯(lián)性。而定位系統(tǒng)發(fā)展至今已有長足的進步，雖然室內環(huán)境有其一定的復雜性和不確定性，但通過分析實際工作場景的工況并運用合適的定位技術就能發(fā)揮出應有的效用。

2.2 定位系統(tǒng)原理

本文所述的三維定位主要是利用超聲波特性進行定位的技術，具體原理是依靠發(fā)射器持續(xù)向某個方向進行超聲波傳遞并在發(fā)射的同時記錄時間，當接收器收到超聲波后就停止計時，然后結合波在介質中移動的速度以及移動時間推算出波所移動的距離。

位置計算方法通過一個簡單的模型說明一下。將四個相同的超聲波接收器分別放在同一平面的四個點位并設四點的中點為坐標原點。四個接收裝置的坐標通過測量是容易獲得的，分別設為（X1，Y1，0），（X2，Y2，0），（X3，Y3，0），（X4，Y4，0）。待定位物體的位置坐標設為T（x，y，z），發(fā)生器離接收器的距離分別設為d1，d2，d3，d4。如下圖所示，求解方程組得出x，y，z的值。

圖1 測距示意圖

2.3 硬件與軟件介紹

主要部件為：超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、工控機、同步器、溫度傳感器、顯示器等。超聲波發(fā)射器主要作用是發(fā)射超聲波信號。超聲波接收器則是接收超聲波定位信號。工控機用于運行操作系統(tǒng)以及應用軟件。同步器主要是存在多個接收器同時使用時，用來同步各個接收器的信號時序。溫度傳感器是當外部環(huán)境溫差變化較大時通過參數(shù)補償來降低溫度對定位信號的影響。顯示器會顯示運行狀態(tài)及過程引導。軟件則為整個系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)分析和計算處理集成等功能。

2.4 適用情況

超聲波定位精度可以達到毫米級別，能較好適用于現(xiàn)場大部分工況要求。同時整個三維定位系統(tǒng)結構較為模塊化并沒有特別復雜的設備構造且成本也適中，易于現(xiàn)場的部署與實現(xiàn)，還能重復使用在不同場景中保持較高的利用率。此外，三維定位系統(tǒng)目前不僅可以應用在靜態(tài)的工作環(huán)境中，同時還可能應用在特定參數(shù)下的動態(tài)工作環(huán)境，這也進一步拓展了三維定位系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應用場景。原來各汽車主機廠對這塊技術應用甚少，所以可以嘗試將這項技術引入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

3 裝配應用案例分析

3.1 現(xiàn)狀情況

本文結合某工廠生產(chǎn)過程中的案例進行詳細說明。在柔性化生產(chǎn)的大環(huán)境下，多平臺車型共用同一條生產(chǎn)線，對工藝的排布要求較高，同工位螺栓緊固防錯的需求也與日俱增。以某工位車型上存在相同螺栓頭尺寸，不同扭矩為例，具體為A、B、C、D、E 5顆車底螺栓，A扭矩為170Nm。B、C、D、E為210Nm，緊固順序為A-B-C-D-E，螺栓頭尺寸為22mm，位置分布見圖2。5顆螺栓皆位于車底，正常需要在高工位緊固。若為兩種扭矩拆分工藝，則需要額外新增一個高工位，但實際情況是現(xiàn)場后續(xù)沒有高工位，而新建一個高工位勢必需要投入額外的動力工具以及輔助臂，不拆分工藝的話則需要依靠人工識別扭矩差異和順序要求。

圖2 位置示意圖

3.2 方案布置

考慮到工位的覆蓋面以及操作路徑，本案例系統(tǒng)主要配置為：超聲波發(fā)射器一個，超聲波接收器四個，工控機一個，同步器一個，顯示器一個，布置示意圖如圖3。根據(jù)現(xiàn)場情況，超聲波發(fā)射器固定在動力工具上，四個接收器分布在工位的一側。布置在槍頭的超聲波發(fā)射器將位置信號實時發(fā)送到接收器上，從而對槍頭進行精確定位。電動工具只有處于正確的裝配位置才能啟動，確保緊固位置的準確性，整個運行邏輯如圖4。

圖3 系統(tǒng)硬件示意圖

3.3 軟件界面

軟件界面包含了超聲波發(fā)射器狀態(tài)、超聲波接收器狀態(tài)、工控機狀態(tài)顯示、車型信息、數(shù)據(jù)查詢以及圖像區(qū)域，如圖5所示。狀態(tài)顯示為綠色則運行狀態(tài)正常，顯示紅色則運行狀態(tài)存在故障。車型信息主要顯示當前工位內車子的配置情況，如是所需要檢測的車型時系統(tǒng)將被激活。圖像區(qū)域則展示緊固件的虛擬位置并在整個過程中引導操作人員按照設定的順序實施緊固，并通過圖像區(qū)域背景色的變化來告知操作人員是否工具移動到了正確的位置上。如果想調閱歷史車輛的緊固過程記錄則可以通過數(shù)據(jù)查詢按鈕來查看。

圖4 控制邏輯示意圖

圖5 系統(tǒng)軟件界面示意圖

3.4 應用效果

從使用情況來看，本系統(tǒng)可以動態(tài)實時監(jiān)控動力工具的位置并自動控制動力工具的開啟與關閉，代替了人工識別，使得過程檢測更加智能化。降低了拆分工位所帶來的投資影響以及潛在的返工成本。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定并無誤報情況，達到了設定的應用效果。

4 應用策略匯總

為了將三維定位技術更好適用于汽車緊固件裝配過程中，就實踐所得的經(jīng)驗總結成以下的內容。

1）要求三維定位系統(tǒng)設計滿足生產(chǎn)節(jié)拍并適應多種生產(chǎn)車型的情況，同時考慮到對將來不確定車型的兼容性和更改的簡便性，保留改造兼容的能力。

2）設備布置應考慮到與車身的距離，工作過程中不能與車體或吊架發(fā)生干涉，安裝位置需要實地確認。設備的顯示屏應布置在流水線工位周邊可視區(qū)域。

3）設備需能自動識別不同車型，針對不同車型完成指定位置或順序的判斷。

4）三維定位系統(tǒng)需要滿足被測物在動態(tài)/靜態(tài)情況下的位置識別及監(jiān)控的要求。位置判斷需準確、容易、快速。兩個被測物之間的距離需大于設備的定位精度。

5）數(shù)據(jù)記錄要求保留一定的年限，同時可以記錄對應車輛號及問題內容。

6）設備運行狀態(tài)需要目視化。設備本體有異常情況時，能自動進行聲或光或屏幕報警。同時能與現(xiàn)場停線系統(tǒng)關聯(lián)，在停線板上反應出停線工位。

7）設備周圍設有安全提醒標識以及圍欄，設備本體需進行適當安全防護。尤其是發(fā)射裝置及接收裝置等硬件需要有保護措施，避免灰塵與異物附著。設備上的支撐支架應有相應的強度測試證明。

8）要求系統(tǒng)可以同時監(jiān)控不少于規(guī)定數(shù)量的動力工具。

9）單個接收器與發(fā)射器之間的距離不能超過最大工作距離。

10）發(fā)射器與接收器的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實際工況條件來確定。

5 總結及未來展望

在當今快速變化的環(huán)境中，質量控制已從結果檢測慢慢前移到過程檢測，預防性的質量控制將問題發(fā)生的概率大大降低并減少了后續(xù)返工成本的支出，而三維定位系統(tǒng)正是過程質量控制中一個的良好方法與手段。三維定位本身是一項相對成熟的技術，所涉及的設備硬件模塊化程度高，結構相對簡單，布置柔性度好而且無論是靜態(tài)環(huán)境還是動態(tài)環(huán)境都能適用。可以幫助緊固件在裝配應用過程中自動實現(xiàn)順序監(jiān)控與位置監(jiān)控的功能替代原有的人工識別，在將整個過程狀態(tài)顯性化的同時還記錄了過程數(shù)據(jù)。提升了質量控制能力，也提升了操作效率。

當然除了緊固件本身的應用以外，其實三維定位系統(tǒng)同樣可以運用在其他零件的安裝過程中，只需選取合適的定位載體就能使系統(tǒng)發(fā)揮功效。例如取料階段也可以進行拓展，在工位上出現(xiàn)選裝零件或相似零件的情況下，三維定位系統(tǒng)可以通過監(jiān)測操作人員手部的位置信息來判斷是否拿取了正確位置的物料。最后，三維定位系統(tǒng)在汽車裝配中的應用還只是剛剛起步，隨著技術不斷的發(fā)展以及后續(xù)進一步的探索與挖掘，相信該應用技術會更多賦能到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，創(chuàng)造更大的價值與貢獻。

Analyze the Application of Three-dimensional Locating System on Automobile Fastener Assembly

Feng Yijiao

（SAIC General Motors, Shanghai 202101）

This paper introduces the basic structure and mechanism of the three-dimensional locating system, and uses the system to realize the function of automatically monitoring the installation sequence and position of fasteners in the assembly process, which improves the detection ability of process quality and saves the cycle times of operators. The positioning system has the advantage of high module integration, flexible layout and strong practicability, which can be applied to the condition of the fastener error proofing in the production line. This paper also discusses the influence of 3D locating system on the fastener assembly and summarizes the relevant application strategies.Keywords: Automobile assembly; Locating; Monitor; Fastener

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.038

U466

A

1671-7988(2021)06-124-03

U466

A

1671-7988(2021)06-124-03

馮一蛟，男，本科，現(xiàn)任上汽通用汽車有限公司整車制造工程總裝工藝工程師，負責前期工藝規(guī)劃與新項目投產(chǎn)工作。擅長領域為新車型可制造性評估以及同步工程開發(fā)。