在線測(cè)量技術(shù)(ISRA)在車身焊接領(lǐng)域的運(yùn)用

    傳統(tǒng)的車身車間是沖壓?jiǎn)渭�依靠焊接夾具定位,通過(guò)點(diǎn)焊、釬焊、激光焊、沖鉚等工藝，焊接成為分總成、車身骨架總成，安裝4門兩蓋成為完整的白車身總成。車身尺寸控制主要采用離線樣架手工測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量，即抽樣檢查。其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量少，反映問(wèn)題滯后，且無(wú)法消除累積誤差對(duì)車身尺寸的影響，不利于整車裝配精度的提高。目前，許多企業(yè)在多年的汽車生產(chǎn)過(guò)程中，積累了大量的手工測(cè)量數(shù)據(jù)，卻無(wú)法通過(guò)利用這些數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)裝配質(zhì)量控制進(jìn)行干涉和指導(dǎo)。

    如今，在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，在線測(cè)量技術(shù)正在被廣泛運(yùn)用到車身焊接中。但一方面，在線測(cè)量設(shè)備價(jià)格昂貴，車身生產(chǎn)線如果采用在線測(cè)量技術(shù)，勢(shì)必要一次性增加許多投資；另一方面，單獨(dú)應(yīng)用在線測(cè)量技術(shù)，僅能反應(yīng)誤差累積情況，卻不能進(jìn)行干涉。因此，我國(guó)汽車制造廠大都采用離線檢測(cè)。

    上海大眾在途安、明銳車身生產(chǎn)線上，首次引入了ISRA技術(shù)，并將車身在線測(cè)量、沖孔、切割技術(shù)相結(jié)合，作為一個(gè)技術(shù)整體，應(yīng)用到車身制造中。該套技術(shù)的應(yīng)用，一方面能及時(shí)、有效地反映車身關(guān)鍵點(diǎn)尺寸波動(dòng)情況，控制車身尺寸；另一方面，通過(guò)在線沖孔或切割，能有效地消除拼焊過(guò)程產(chǎn)生的累積誤差，保證總裝前圍模塊和尾燈區(qū)域零件間的匹配效果。事實(shí)證明，該套技術(shù)的使用有效地提高了途安、明銳整車零件裝配精度，確保了整車裝配質(zhì)量和美觀性。根據(jù)上海大眾AUDIT（用挑剔用戶的眼光檢查我們的整車質(zhì)量）檢查結(jié)果分析，在沒(méi)有使用ISRA技術(shù)的車型上，前圍模塊和尾燈區(qū)域的匹配抱怨率達(dá)到15%；而在使用上述技術(shù)的這兩種車型上，AUDIT 抱怨率僅為5%。從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)分析，由于上海大眾已經(jīng)實(shí)現(xiàn)同一平臺(tái)各種車型混線生產(chǎn)，因此只要投資一次，即可為同一平臺(tái)的后續(xù)多種車型實(shí)現(xiàn)車身累積誤差最小化的目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)幾乎所有汽車制造企業(yè)都已實(shí)現(xiàn)車型混線生產(chǎn)，因此無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性，還是裝配質(zhì)量考慮，該項(xiàng)技術(shù)都具有較好的推廣價(jià)值。

    從具體技術(shù)實(shí)施上來(lái)說(shuō)，上海大眾途安和明銳兩種車型的車身混線生產(chǎn)上，是通過(guò)兩套程序切換，來(lái)實(shí)現(xiàn)ISRA車身在線測(cè)量、沖孔和激光切割，從而實(shí)現(xiàn)了一次投入，多次使用的目的。因此，ISRA技術(shù)在上海大眾的運(yùn)用，既解決了在線測(cè)量柔性差、投資昂貴等缺點(diǎn)，又彌補(bǔ)了離線測(cè)量數(shù)據(jù)量少、反映問(wèn)題滯后等問(wèn)題，是ISRA技術(shù)在國(guó)內(nèi)轎車生產(chǎn)領(lǐng)域得以良好應(yīng)用的典型例子。在此，筆者將從ISRA技術(shù)的工作原理、應(yīng)用實(shí)例等方面，來(lái)簡(jiǎn)單介紹ISRA技術(shù)在上海大眾車身車間的具體運(yùn)用。

    ISRA在線測(cè)量技術(shù)作為一個(gè)固定式測(cè)量系統(tǒng)，用照相機(jī)作為一個(gè)基本測(cè)量工具，它利用一對(duì)照相機(jī)形成一個(gè)立體傳感器，類似于人類的雙眼，形成了一個(gè)立體交叉的圖像，從而計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)在照相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。整個(gè)在線測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用多對(duì)照相機(jī)，它們所測(cè)得的被測(cè)點(diǎn)位置，匯集到車身坐標(biāo)系，從而完成立體測(cè)量。ISRA系統(tǒng)的工作原理主要建立在攝像機(jī)模型和立體視覺(jué)傳感器三維測(cè)量模型的基礎(chǔ)上。為了得到被測(cè)點(diǎn)在車身定位坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，需要以標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系為中介，把被測(cè)點(diǎn)在照相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到被測(cè)點(diǎn)在車身定位坐標(biāo)系中，這就需要把照相機(jī)坐標(biāo)系、車身定位坐標(biāo)系與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)一起來(lái)，稱為坐標(biāo)統(tǒng)一法。下面，讓我們具體看一下ISRA技術(shù)的工作原理。

1. 建立特征點(diǎn)識(shí)別或邊緣識(shí)別

    ISRA技術(shù)首先要求建立測(cè)量特征點(diǎn)或識(shí)別邊緣。如在途安/ 明銳車身焊接過(guò)程中，我們將后保險(xiǎn)杠裝配孔確定為測(cè)量點(diǎn)，將與尾燈匹配的側(cè)圍邊緣確定為識(shí)別邊緣或稱測(cè)量邊緣（如圖1）。

圖1 建立特征點(diǎn)識(shí)別或邊緣識(shí)別

2. 從這些識(shí)別中選擇最適合的位置，特征點(diǎn)或邊緣

（1）如選擇點(diǎn)位測(cè)量則傳感單元由一對(duì)相機(jī)和一個(gè)照明設(shè)備組成；

（2）如選擇邊緣測(cè)量傳感單元由一對(duì)相機(jī)和一個(gè)照明設(shè)備組成（照明設(shè)備為長(zhǎng)條狀照射單元－窄光）。由適應(yīng)性電路控制單元負(fù)責(zé)燈光的開(kāi)閉以及光線的強(qiáng)弱，照明單元帶變壓器，PLC可編程控制器，遙控設(shè)備－工業(yè)機(jī)器人，通信－VIA威盛可編程控制器。

3. 根據(jù)零位進(jìn)行相關(guān)測(cè)量

    每個(gè)特征使用2臺(tái)相機(jī)測(cè)量，上海大眾采用VIAMES"系統(tǒng)，由相機(jī)、光源、條狀光源、校準(zhǔn)臺(tái)、工業(yè)用電腦及其操作單元組成，光感電子元件矩陣CCD相機(jī)，每4臺(tái)相機(jī)的圖像信息由一個(gè)框架集成器控制處理，包括電力供應(yīng)和快門控制。每8臺(tái)相機(jī)由一個(gè)CAMTRIG控制，在三維空間內(nèi)進(jìn)行3次移動(dòng)和3次旋轉(zhuǎn)的測(cè)量。VIAMES實(shí)行類型管理，類型、子類型、色彩類型由控制器送至VIAMES以開(kāi)始一次測(cè)量，VIAMES接受并執(zhí)行遙控設(shè)備的指令（Robot/PLC）。

4. 獲取影像

依靠校準(zhǔn)相機(jī)位置處在同一參考坐標(biāo)系統(tǒng)之中（如圖2）。

圖2 校準(zhǔn)相機(jī)位置處在同一參考坐標(biāo)系統(tǒng)中

5. 測(cè)量模式

    2臺(tái)照相機(jī)對(duì)同一特征（點(diǎn)或邊緣）攝像，由VIAMES對(duì)圖像進(jìn)行解析，計(jì)算出實(shí)際位置與車體零坐標(biāo)位置的相對(duì)偏離。

    ISRA是高效、可靠的質(zhì)量保證智能識(shí)別系統(tǒng)。通過(guò)ISRA智能識(shí)別系統(tǒng)能保證車身局部區(qū)域相對(duì)裝配位置（特征點(diǎn)或特征邊緣到裝配孔之間的空間距離）的一致和穩(wěn)定。

    下面通過(guò)兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例的說(shuō)明，來(lái)加深大家對(duì)ISRA工作原理的了解。一個(gè)是ISRA技術(shù)在途安/明銳尾燈裝配孔沖孔中的應(yīng)用，另一個(gè)是ISRA技術(shù)在Schotteplatte（前圍防撞支架）工位的應(yīng)用。

    實(shí)例一：長(zhǎng)期以來(lái)，由于車身尾燈安裝孔尺寸不穩(wěn)定、累計(jì)誤差等因素，影響了尾燈與側(cè)圍，尾燈與后保險(xiǎn)杠的匹配。采用ISRA在線測(cè)量技術(shù)，就是將后尾燈左右的型面形成數(shù)模，并與已經(jīng)存儲(chǔ)于控制器中的數(shù)模相對(duì)照，找出最佳匹配尺寸，并自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人沖孔坐標(biāo)，完成在線沖孔，確保沖孔位置準(zhǔn)確穩(wěn)定，保證尾燈、后保險(xiǎn)杠的裝配精度。

    從圖3我們可以清楚地看到，如果不帶ISRA在線測(cè)量和沖孔生產(chǎn)的車身總成，其測(cè)量點(diǎn)HL3149P（尾燈裝配孔）、HL3135P（側(cè)圍邊緣）Y向尺寸發(fā)生波動(dòng)，其相關(guān)的功能尺寸ZL1076F也將發(fā)生波動(dòng)，直接影響尾燈和側(cè)圍的裝配質(zhì)量。

圖3 未帶ISRA在線測(cè)量和沖孔生產(chǎn)的車身總成

    如圖4所示，尾燈裝配孔的沖孔位置(HL1015P)根據(jù)特征邊緣測(cè)量點(diǎn)（HL1180P）實(shí)際測(cè)量型面形成數(shù)模，并與已經(jīng)存儲(chǔ)于控制器中的數(shù)模相對(duì)照，找出最佳匹配尺寸并自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)完成在線沖孔。這樣，其相對(duì)匹配點(diǎn)功能尺寸（HL1005F）一定穩(wěn)定在要求公差范圍內(nèi)，保證了尾燈與側(cè)圍外板Y向的匹配質(zhì)量。

圖4 采用ISRA在線測(cè)量技術(shù)完成在線沖孔

實(shí)例二：同樣的技術(shù)運(yùn)用在途安/明銳的Schotteplatte（前圍防撞支架）工位。

    目前，大多汽車制造企業(yè)在總裝車間實(shí)行模塊化裝配，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低加工深度、減少投資、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等，但模塊裝配的可調(diào)范圍小，通過(guò)后續(xù)調(diào)整相對(duì)比較困難。這就要求車身各裝配點(diǎn)、面功能尺寸可控、穩(wěn)定，但由于車身制造工藝、沖壓件質(zhì)量、工裝夾具定位等原因積累誤差一定存在，也必然會(huì)影響整車裝配質(zhì)量。ISRA智能識(shí)別系統(tǒng)在前縱梁防撞支架焊接前的運(yùn)用，使前圍模塊的裝配質(zhì)量得到了真正意義上的保證。

    首先，在前縱梁沖壓?jiǎn)渭�上預(yù)留一定的長(zhǎng)度，在Schotteplatte工位采用ISRA在線測(cè)量技術(shù)，通過(guò)與建立的數(shù)學(xué)模型的對(duì)比，對(duì)前縱梁進(jìn)行在線激光切割、Schotteplatte激光焊接，保證了前大燈與前翼子板、前保險(xiǎn)杠的匹配質(zhì)量。

    從以上兩個(gè)實(shí)例可以看到，通過(guò)ISRA技術(shù)的應(yīng)用，上海大眾解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾車身焊接技術(shù)人員的一個(gè)難題——即因車身拼焊累積誤差而導(dǎo)致的總裝車間前后模塊（前模塊：前大燈，前翼子板，前保險(xiǎn)杠；后模塊：尾燈，后保險(xiǎn)杠）的安裝精度存在不規(guī)律的上下波動(dòng)問(wèn)題。

    目前，ISRA技術(shù)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，但就目前應(yīng)用的效果來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)彌補(bǔ)了離線檢測(cè)數(shù)據(jù)匱乏的缺陷，實(shí)現(xiàn)了離線檢測(cè)條件下裝配誤差源的快速診斷，從而大幅度提高了制造質(zhì)量診斷的效率和準(zhǔn)確率，并為快速糾正誤差提供了保證。隨著ISRA（在線測(cè)量技術(shù)）技術(shù)的逐步成熟，以及它在車身焊接中的推廣使用，車身骨架總成積累誤差最小化已成為現(xiàn)實(shí)。