尹斐 張梅梅

（一汽-大眾汽車有限公司，長春130011）

1 前言

自動(dòng)涂膠安裝類設(shè)備針對(duì)的零件（如風(fēng)擋、全景天窗等）對(duì)裝配后的裝配質(zhì)量有較高的要求。裝配質(zhì)量受環(huán)境、零件狀態(tài)、車身狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、機(jī)械化輸送等多個(gè)環(huán)節(jié)影響，這些環(huán)節(jié)的波動(dòng)都將造成最后裝配質(zhì)量產(chǎn)生一定波動(dòng)。其中匹配質(zhì)量的控制是該類設(shè)備的難點(diǎn)，圍繞提高匹配質(zhì)量存在大量的調(diào)試優(yōu)化工作，但保證設(shè)備裝配的穩(wěn)定性是調(diào)試優(yōu)化的前提。當(dāng)前，業(yè)內(nèi)主要通過工業(yè)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)形式實(shí)現(xiàn)裝配過程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備柔性化生產(chǎn)，同時(shí)也造成了其無法通過傳統(tǒng)的機(jī)械檢具來驗(yàn)證其精度及穩(wěn)定性的現(xiàn)狀。本研究將闡述確定該類設(shè)備匹配質(zhì)量穩(wěn)定性能力的方法及相應(yīng)的測試評(píng)價(jià)方法，以衡量設(shè)備能否滿足工藝要求。

2 設(shè)備運(yùn)行基本原理

自動(dòng)涂膠安裝類設(shè)備自動(dòng)化程度高，其從上件、涂膠、安裝、檢測全過程都實(shí)現(xiàn)了無人化的自動(dòng)運(yùn)行。該類設(shè)備一般由上料站、移栽機(jī)構(gòu)、對(duì)中臺(tái)、涂膠系統(tǒng)、安裝機(jī)器人、視覺機(jī)器人、視覺系統(tǒng)組成。

a.上料站及移栽機(jī)構(gòu)可存儲(chǔ)零件并將零件自動(dòng)搬運(yùn)至對(duì)中臺(tái)，而對(duì)中臺(tái)消除了零件的定位及物流器具定位偏差。涂膠系統(tǒng)負(fù)責(zé)涂膠過程時(shí)膠的輸出和控制，安裝機(jī)器人負(fù)責(zé)抓取對(duì)中臺(tái)上定位的零件，并與涂膠系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)零件涂膠，獲取到視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)值后，將零件按壓在車身頂蓋鈑金上，使零件通過膠固定在車身頂蓋鈑金上。

視覺機(jī)器人搭載視覺系統(tǒng)對(duì)車身特征區(qū)域進(jìn)行捕捉（圖1）[2]，計(jì)算出車身與零位狀態(tài)相比的變化值，并將變化值發(fā)送給安裝機(jī)器人，對(duì)安裝動(dòng)作進(jìn)行引導(dǎo)。零位狀態(tài)是指在調(diào)試時(shí)，選用調(diào)試車身進(jìn)行初始模板設(shè)定的狀態(tài)，包含特征點(diǎn)擬合的車身頂蓋鈑金中心點(diǎn)及安裝機(jī)器人安裝動(dòng)作在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，安裝過程實(shí)際是將當(dāng)前的車身狀態(tài)與初始狀態(tài)對(duì)比，根據(jù)特征點(diǎn)位置的變化擬合出車身頂蓋鈑金中心點(diǎn)的變化值，安裝機(jī)器人以零件中心點(diǎn)為參照點(diǎn)將該變化值補(bǔ)償至安裝動(dòng)作中，從而引導(dǎo)安裝。

圖1 視覺引導(dǎo)示意

3 設(shè)備關(guān)鍵路徑及能力模型

3.1 設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵路徑及分析

雖然設(shè)備運(yùn)行整個(gè)過程流較復(fù)雜，但實(shí)際最終匹配質(zhì)量只受關(guān)鍵路徑的影響，設(shè)備關(guān)鍵路徑如圖2所示。

圖2 設(shè)備關(guān)鍵路徑

引起最終零件整體匹配波動(dòng)的主要來源如下。

a.視覺引導(dǎo)偏差，即視覺機(jī)器人到設(shè)定拍照位置進(jìn)行測量時(shí)，由于機(jī)器人本身的精度和視覺拍照精度導(dǎo)致特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)識(shí)別出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致頂蓋鈑金中心點(diǎn)出現(xiàn)一定擬合偏差；

b.對(duì)中定位偏差，即對(duì)中臺(tái)對(duì)零件進(jìn)行對(duì)中操作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶對(duì)零件進(jìn)行夾緊對(duì)中，由于電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，使零件在對(duì)中臺(tái)的定位出現(xiàn)一定偏差，同時(shí)機(jī)器人本身精度將導(dǎo)致抓取位置相對(duì)波動(dòng)，這些都導(dǎo)致機(jī)器人在對(duì)中臺(tái)上抓取零件時(shí)，零件在機(jī)器人夾具上的定位產(chǎn)生偏差；

c.安裝定位偏差，即在最后一個(gè)步驟，安裝機(jī)器人將零件最終安裝在車身上時(shí)，由于機(jī)器人的精度將導(dǎo)致安裝動(dòng)作出現(xiàn)一定波動(dòng)，導(dǎo)致零件安裝在車身上產(chǎn)生一定量偏差。

設(shè)備的匹配質(zhì)量穩(wěn)定性將由視覺機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、對(duì)中臺(tái)、安裝機(jī)器人四個(gè)關(guān)鍵部件控制。

3.2 設(shè)備能力計(jì)算模型

雖然涂膠類玻璃零件不同車型形狀存在一定差別，但大體比較接近，一般較平整，可將邊框近似看成在一個(gè)平面上，且邊框的形狀與等腰梯形接近。同樣，由于車身頂蓋鈑金邊框與之匹配，形狀為與玻璃零件匹配的形狀。即可視零件邊框與頂蓋鈑金邊框視為一個(gè)平面上的類等腰梯形形狀，且頂蓋鈑金邊框?yàn)榱慵吙虻牡缺壤糯蟆?/p>

3.2.1 視覺定位能力計(jì)算模型

對(duì)于視覺引導(dǎo)能力，設(shè)備獲取的各特征點(diǎn)擬合成頂蓋鈑金中心點(diǎn)，由于視覺機(jī)器人精度與視覺精度將導(dǎo)致特征點(diǎn)拾取的坐標(biāo)值出現(xiàn)偏差，而導(dǎo)致擬合的車頂鈑金中心點(diǎn)與實(shí)際會(huì)存在一定差別。

各特征點(diǎn)坐標(biāo)值為機(jī)器人搭載視覺拍照獲得，則各視覺特征點(diǎn)的精度為機(jī)器人的精度與視覺精度之和：

式中，n=1～6。

視覺定位原理為將各特征點(diǎn)擬合成頂蓋鈑金中心點(diǎn)，安裝機(jī)器人按照中心點(diǎn)的偏移量進(jìn)行位置補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)定位。則整體的視覺定位的重復(fù)精度，實(shí)際即為擬合的頂蓋鈑金中心點(diǎn)的重復(fù)精度。而中心點(diǎn)的重復(fù)精度將由各視覺特征點(diǎn)重復(fù)精度決定，經(jīng)推導(dǎo)可得出兩者為相等關(guān)系。證明如下，假設(shè)存在兩個(gè)定位點(diǎn)A1、A2，兩點(diǎn)的重復(fù)精度都為r，則兩點(diǎn)在精度范圍內(nèi)的空間實(shí)際坐標(biāo)為（xi+Δxi，yi+Δyi，zi+Δzi），其中Δxi，Δyi，Δzi（i=1或2）為距離理想位置的偏差值。如圖4所示，點(diǎn)a是A1A2連線內(nèi)任意一點(diǎn)，令A(yù)1a/A1A2為k，可得a點(diǎn)空間坐標(biāo)為（x1+Δx1+k(x2+Δx2-x1-Δx1)，y1+Δy1+k(y2+Δy2-y1-Δy1)，z1+Δz1+k(z2+Δz2-z1-Δz1)），可推導(dǎo)a點(diǎn)距離理想位置的偏差值Δxa2+Δya2+Δza2=[(1-k)Δx1+kΔx2]2+[(1-k)Δy1+kΔy2]2+[(1-k)Δz1+kΔz2]2≤r2。而假設(shè)線段在極限位置平移時(shí)，a點(diǎn)也能形成半徑為r的包絡(luò)球面，所以a點(diǎn)的重復(fù)精度也為r。

圖3 端點(diǎn)波動(dòng)線段示意

如圖4所示，擬合的車身頂蓋中心點(diǎn)Oc必然能經(jīng)過兩側(cè)腰線中取點(diǎn)的連線AB，由于視覺特征點(diǎn)一般會(huì)選取腰線棱邊靠近兩端處，而A、B點(diǎn)必能落在視覺特征點(diǎn)的連線內(nèi)，圖4所示A、B點(diǎn)將分別都在視覺特征點(diǎn)4與5的連線及視覺特征點(diǎn)2與3的連線上，由上文推導(dǎo)可知A點(diǎn)、B點(diǎn)、Oc的重復(fù)精度與單個(gè)的視覺特征點(diǎn)重復(fù)精度一致，由設(shè)備定位原理可知中心點(diǎn)的重復(fù)精度實(shí)際即為設(shè)備的視覺引導(dǎo)的重復(fù)精度，則可得下式（2）的結(jié)論。

圖4 頂蓋鈑金中心點(diǎn)擬合示意

即得視覺定位重復(fù)精度如下：

3.2.2 對(duì)中定位能力計(jì)算模型

對(duì)于對(duì)中定位精度，由于對(duì)中臺(tái)的形式一般如圖5所示，X向一側(cè)為固定柱，X向另一側(cè)為夾緊柱，而Y向通過對(duì)中氣缸及齒形帶傳動(dòng)進(jìn)行居中夾緊對(duì)中。在不考慮X向固定柱磨損的情況下，從設(shè)備角度上來看，X向定位不會(huì)產(chǎn)生偏差，但Y向受氣缸及傳動(dòng)影響，在對(duì)中臺(tái)上的位置產(chǎn)生一定波動(dòng)，偏差值如下：

圖5 對(duì)中臺(tái)示意

同時(shí)，安裝機(jī)器人抓取對(duì)中臺(tái)中的零件時(shí)，受安裝機(jī)器人精度影響，也會(huì)產(chǎn)生一定偏差，且安裝機(jī)器人在Z向的偏差能被抓取夾具上的吸盤補(bǔ)償，即此步驟精度為機(jī)器人在三維上的重復(fù)精度在XY平面上的投影，則抓取動(dòng)作偏差值為：

3.2.3 安裝定位能力計(jì)算模型

對(duì)于安裝定位精度，受安裝機(jī)器人精度影響，其到達(dá)指定位置的值會(huì)存在一定偏差，即為：σ安裝機(jī)器人。

綜合上述三個(gè)環(huán)節(jié)，將導(dǎo)致最后實(shí)際零件中心點(diǎn)與理想狀態(tài)下存在偏差，且此三個(gè)環(huán)節(jié)的精度偏差在空間上能直接疊加，則有設(shè)備精度為：

對(duì)于繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)量的姿態(tài)精度，由于零件安裝面會(huì)有墊塊限制繞X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由于角度偏差較小，對(duì)于零件類零件尺寸不大，其偏差值遠(yuǎn)小于上述平移產(chǎn)生的偏差大小。例如，1.4 m的零件，距離中心點(diǎn)最遠(yuǎn)處約0.75 m，中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)量的偏差約為±0.1°，則坐標(biāo)變化值約為0.001 mm，此偏差值對(duì)最后裝配影響可忽略，所以對(duì)姿態(tài)精度不做具體計(jì)算。

由于零件中心點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的波動(dòng)是相互獨(dú)立的，其在X、Y、Z三個(gè)方向投影，可得設(shè)備在3個(gè)方向相應(yīng)精度值為：

4 設(shè)備匹配質(zhì)量能力測試

4.1 設(shè)備匹配質(zhì)量測試流程

在對(duì)設(shè)備整個(gè)關(guān)鍵路徑測試前，應(yīng)首先保障單個(gè)關(guān)鍵組件自身運(yùn)行的穩(wěn)定性，以避免出現(xiàn)零位不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而整個(gè)過程流的關(guān)鍵組件是工業(yè)機(jī)器人與視覺系統(tǒng)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人，如圖6所示，應(yīng)在調(diào)試前對(duì)工業(yè)機(jī)器人各軸進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，使各軸的機(jī)械位置和電氣位置保持一致，如若需要，可參照ISO 9283:1998[1]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其精度進(jìn)行測試，驗(yàn)證其是否達(dá)到設(shè)計(jì)能力。同樣，對(duì)于視覺系統(tǒng)應(yīng)通過標(biāo)定板對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示，保證視覺采集的一致性，如若需要，可通過靜態(tài)測試對(duì)其重復(fù)精度進(jìn)行測試，即相機(jī)重復(fù)對(duì)某一固定特征點(diǎn)進(jìn)行拍照獲取其坐標(biāo)值，通過計(jì)算其坐標(biāo)的變化量亦可驗(yàn)證其是否達(dá)到設(shè)計(jì)能力。由于自動(dòng)涂膠安裝類設(shè)備穩(wěn)定性測試的難點(diǎn)在于對(duì)整個(gè)設(shè)備的測試，且行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)的論述，本研究將重點(diǎn)圍繞對(duì)整個(gè)設(shè)備的測試進(jìn)行闡述。

圖6 工業(yè)機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定示意

圖7 視覺標(biāo)定示意

由設(shè)備原理及設(shè)備能力模型可知，零件的安裝精度實(shí)際是零件中心點(diǎn)相對(duì)于車身頂蓋鈑金的中心點(diǎn)位置的偏差量。但此偏差值無法直接測量，而需要通過其他參數(shù)進(jìn)行測量量化。在實(shí)際生產(chǎn)中通過零件與車身鈑金的間隙與平度來衡量匹配質(zhì)量的優(yōu)劣（圖8）。本研究也將通過此參數(shù)量化匹配質(zhì)量相關(guān)的間隙、平度范圍。

圖8 匹配示意

剛體上任意不在一條直線上點(diǎn)能確定剛體的位置。則如果安裝后的零件中選取的不在一條直線上的三點(diǎn)即可確定整個(gè)零件相對(duì)于頂蓋鈑金的位置。即測試設(shè)備安裝的穩(wěn)定性時(shí)，可測量監(jiān)控零件上不在直線上的3點(diǎn)相對(duì)于頂蓋鈑金的位置值，由于只考慮零件整體平動(dòng)的影響，若此3點(diǎn)的位置值是穩(wěn)定的，則零件上任意一點(diǎn)相對(duì)頂蓋鈑金位置值也是穩(wěn)定的，即可得到最終的匹配質(zhì)量穩(wěn)定的結(jié)論。

則測試流程可對(duì)圖3關(guān)鍵路徑進(jìn)行還原模擬，步驟如下。

a.通過機(jī)械化將車身駛?cè)氚惭b工位，定位機(jī)構(gòu)將滑翹抱死；

b.啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)備按照程序設(shè)定，安裝機(jī)器人從對(duì)中臺(tái)中抓件，不帶膠空走涂膠軌跡，同時(shí)視覺完成拍照及補(bǔ)償值計(jì)算與發(fā)送，安裝機(jī)器人將零件恰好放至安裝位時(shí)，將安裝機(jī)器人停止；

c.以圖9為例，測量并記錄P1、P2、P3間隙平度值，將零件、車身還原至測試前狀態(tài)，繼續(xù)后續(xù)輪次測試。

圖9 測試過程測量點(diǎn)示意圖

d.完成設(shè)定輪次的測試后，根據(jù)4.2內(nèi)容計(jì)算匹配穩(wěn)定性Cm，判斷測試結(jié)果是否合格。

4.2 設(shè)備匹配能力計(jì)算模型

由以上分析可知，設(shè)備精度是在世界坐標(biāo)下的X/Y/Z軸的波動(dòng)量，而實(shí)際現(xiàn)場測試時(shí)無法獲取此3點(diǎn)的坐標(biāo)值，需要將其轉(zhuǎn)換為測量點(diǎn)的平度與間隙值的波動(dòng)量。

如下圖所示，對(duì)于輪廓縱向類的測量點(diǎn)，如P1點(diǎn)，假設(shè)P1點(diǎn)在理想位置時(shí)，其間隙值大小為S，平度為B。當(dāng)P1在精度范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，如圖10所示，其在X/Y方向的波動(dòng)將導(dǎo)致該點(diǎn)間隙值的變化，其中Y方向的變化量將直接轉(zhuǎn)化間隙值的變化，X方向的變化導(dǎo)致頂蓋鈑金的基準(zhǔn)點(diǎn)也平行移動(dòng)，而將產(chǎn)生K×ΔX的間隙變化值，K為頂蓋鈑金在選定點(diǎn)處的斜率。同樣的在Z軸方向的波動(dòng)，如圖11所示，將產(chǎn)生等量的平度值變化。

圖10 縱向測量點(diǎn)間隙匹配波動(dòng)示意

圖11 縱向測量點(diǎn)平度匹配波動(dòng)示意

其中，K為頂蓋鈑金基準(zhǔn)點(diǎn)在其輪廓線上的斜率。

根據(jù)上文可知設(shè)備在X、Y、Z軸上的精度范圍，則對(duì)應(yīng)的各測量點(diǎn)的間隙平度的波動(dòng)范圍應(yīng)為：

同樣的，對(duì)于輪廓橫向類的測量點(diǎn)，其波動(dòng)狀態(tài)如下圖所示，由于該處測量基準(zhǔn)點(diǎn)的變化不影響間隙值的測量大小，同樣的Z軸方向的波動(dòng)，如圖12所示，將產(chǎn)生等量的平度值變化，則有其表達(dá)式為：

圖12 橫向測量點(diǎn)匹配波動(dòng)示意

則對(duì)應(yīng)的波動(dòng)范圍計(jì)算如下：

由于在穩(wěn)定性測試中，實(shí)際設(shè)備不一定能將安裝質(zhì)量調(diào)至最佳位置，而可采用不考慮偏移的過程能力Cm來衡量設(shè)備的穩(wěn)定性。

式中，Go，Gu分別為設(shè)備能力值的上公差和下公差Xo，Xu分別為設(shè)備能力測試中樣本數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

根據(jù)各測量點(diǎn)的間隙、平度值，計(jì)算可得設(shè)備能力如下：

即若測量的3點(diǎn)都在穩(wěn)定范圍內(nèi)，則設(shè)備的穩(wěn)定性定能達(dá)到設(shè)計(jì)能力。則衡量設(shè)備穩(wěn)定性是否滿足達(dá)到指標(biāo)公式為：

式中，C為穩(wěn)定性合格值（表1）。

表1 試驗(yàn)次數(shù)穩(wěn)定性合格值[3]

同時(shí)，在實(shí)際測試中，為提高測試效率及降低測試時(shí)間跨度對(duì)結(jié)果的擾動(dòng)，應(yīng)盡量將測試點(diǎn)范圍控制在合理范圍。若評(píng)估整體的匹配質(zhì)量穩(wěn)定性，最少只需選定3個(gè)點(diǎn)的間隙值測量，和其中一個(gè)點(diǎn)的平度值測量，3點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域應(yīng)覆蓋零件中心點(diǎn)，即i取3的情況。若只關(guān)心某些匹配點(diǎn)穩(wěn)定性，則只需對(duì)這些匹配點(diǎn)進(jìn)行測試即可，相應(yīng)的i為相應(yīng)的點(diǎn)個(gè)數(shù)。

5 實(shí)際案例

在實(shí)際測試中，應(yīng)排除設(shè)備以外影響最后裝配效果的因素，需注意如下事項(xiàng)。

a.應(yīng)使用同一個(gè)車身，同一個(gè)測試件，測試件應(yīng)盡量采用不易變形的材料對(duì)零件進(jìn)行仿形，以減少測試造成的零件形變對(duì)匹配結(jié)果的影響；

b.采用不帶涂膠的形式進(jìn)行，同時(shí)為保證測量的一致性，應(yīng)在對(duì)測量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，保證每一次測量都是在標(biāo)記測量點(diǎn)進(jìn)行測量，同時(shí)測量時(shí)不得晃動(dòng)車身；

c.應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，確定測試范圍以提升測試的效率和準(zhǔn)確性。若進(jìn)行整體測試，則對(duì)選定的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行間隙的測量和三點(diǎn)中任意一點(diǎn)的平度值測量即可，并計(jì)算出此四個(gè)測量值Cm值判定即可。若局部測試，則只需測量和計(jì)算局部值即可；

d.應(yīng)在選定測試輪數(shù)上增加2次，以去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值后為數(shù)據(jù)樣本。若采用原玻璃零件，建議進(jìn)行22次，而采用C_20=2.28作為穩(wěn)定性判定值。

本案例為局部測試，項(xiàng)目階段P1、P2處間隙值出現(xiàn)了異常匹配波動(dòng)，而針對(duì)此兩點(diǎn)進(jìn)行了測試。本案例測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試過程數(shù)據(jù) mm

而根據(jù)設(shè)備的技術(shù)選型，σ安裝機(jī)器人及σ視覺機(jī)器人為±0.1 mm（含機(jī)器人抓手吸盤、連接件輕微震動(dòng)等相關(guān)因素），σ視覺為±0.2 mm，σ對(duì)中:y為0.05 mm（含氣缸及齒形帶等），則根據(jù)式（7）得出σ設(shè)備精度：x為±0.5 mm，σ設(shè)備精度:y為±0.55 mm，同時(shí)，P1及P2點(diǎn)在車身上對(duì)稱，斜率正切值K為0.04，即而可得σS_P1及σS_P2為±0.57mm，據(jù)式(13)可得到能力值Cm_P1=2.28，Cm_P2=3.8。Cm_P1及Cm_P2都大于C_20，可得出P1及P2兩點(diǎn)在間隙值是穩(wěn)定的。

同時(shí)從數(shù)據(jù)可以看到P1點(diǎn)的間隙波動(dòng)量較P2點(diǎn)明顯更大。進(jìn)行復(fù)盤時(shí)，初步判斷原因?yàn)镻1點(diǎn)所在一側(cè)，設(shè)備圍欄與車身距離較近，給測量預(yù)留空間較小，測量難度較大，測量時(shí)測量人員易倚靠車身，造成該側(cè)測量值出現(xiàn)擾動(dòng)因素。

綜上所述，對(duì)風(fēng)擋、全景天窗全自動(dòng)化涂膠安裝設(shè)備的能力分析及驗(yàn)證工作中，通過文中設(shè)備能力計(jì)算模型，可得出設(shè)備穩(wěn)定性能力值，而由于該值較難進(jìn)行實(shí)際測量，通過匹配能力計(jì)算模型，將該設(shè)備能力值轉(zhuǎn)化為實(shí)際安裝的間隙匹配的波動(dòng)范圍，最后通過匹配質(zhì)量的穩(wěn)定性測試方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備能力的驗(yàn)證。