基于在線檢測和動態成型前端模塊的工藝研究

徐超,吳何畏,黃海

(1. 湖北文理學院 機械工程學院,湖北 襄陽 441053;2. 比亞迪汽車工業(深圳)有限公司 技術中心,廣東 深圳 518118)

0 引言

前端模塊(front-end module,FEM)是集成汽車前端零部件的系統零件,作為骨架,集成了汽車前端保險杠、防撞梁、前大燈、冷凝器、散熱器、機蓋鎖等大量零部件,廣泛應用于傳統燃油和新能源汽車。從尺寸鏈的角度來看,車身的尺寸累積偏差會通過前端模塊轉移疊加至安裝在其上的零件[1]。公差的累積會帶來車輛行駛安全風險,也會導致車輛外觀間隙面差、裝配美學功能降級或失效等一系列的功能失效問題。

1 前端模塊應用概述

典型前端模塊如圖1所示,其集成了前大燈、行人保護橫梁等部件。

1—前大燈支架;2—空氣擾流板;3—主動進氣格柵;4—冷凝器;5—行人保護橫梁;6—主動格柵執行器;7—引擎蓋緩沖塊;8—引擎蓋解鎖拉索;9—前大燈。

前端模塊涉及安全、照明、熱管理和空調等子系統,集成度高、開發周期長。為了保證零部件安裝的固定強度和輕量化,前端模塊通常采用鋼塑復合件,加工過程需要應用沖壓、注塑、焊接和膠結等多種工藝,調試周期長;其與車身合拼時存在局部基準到車身基準的轉換,在車身基準下的尺寸缺陷和裝配誤差大。

通常在車身上設置前端模塊的裝配點,兩者之間的直接裝配關系如圖2所示,其安裝孔和安裝面的位置難以保證精準。經歷沖壓和焊裝工藝過程后,累積的單件和過程公差如圖3所示。通過公差模擬所得該處的公差達到±2.3mm,不能夠滿足前端模塊±1.5mm的精度要求。

1—前端模塊框架在車身上的左側安裝點;2—前端模塊框架;3—車身;4—前端模塊框架在車身上右側安裝點。

圖3 前端模塊車身安裝面所經歷的工序過程公差累積

2 系統設計

某廠一生產線生產某平臺系列車型,系統規劃如下:1)設計采用RFID讀取滑橇上的車型信息,調取系統中對應車型數據,實現不同車型的白車身測量和沖壓的需求[2];2)由于作業區域存在焊接煙塵和光污染,設計采用視覺測量系統的結構光作為測量成像光源,消除光污染的影響,使得系統具有魯棒性;3)設計采用Profibus總線實現數據流傳遞,使系統具備同時進行測量和作業的功能[3]。工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程圖

在線檢測與動態成型工位設計在白車身側圍合拼完成之后,共用前序工位的線體,線體上的滑橇能夠單獨前進和后退、頂起和落下,也能夠整體頂起定位和落下放置?？紤]到返修可能性,前后各設計了一個緩沖工位,提高了工位的駕動率,減少了后續工位的等待時間。系統結構如圖5所示。

1、2—測量機器人; 3—測量過渡框架;4、6—沖壓機器人;5—線體。

2.1 在線檢測系統設計

系統利用投影設備將單位像素寬度的光柵投射到待測零件表面,通過成角度相機拍攝得到像素圖像,采用雙目視差原理[4]計算出光柵的中心坐標,利用迭代法對所得到的每一個像素點的三維坐標進行擬合,得到三維點云,再通過提取、擬合點云中面和孔特征與理論數模比對,獲取實際的偏差值[5]。

硬件選用ABB 3DQI系列,此外還包括滑橇信息識別器RFID、監視報警裝置和輔助光源。設計了兩臺設備同時對左側、右側和前方進行測量,測量坐標系如圖6所示。

圖6 測量坐標系的建立

設計選用左、右側圍前主基準孔和翼子板加強板副基準孔作為測量基準坐標,以孔位的z方向作為z方向基準。左、右相機分別對車身拍攝得到不同區域的點云,通過固定在線體上的測量參考點,將兩臺相機在多個位置測量所得到的點云進行拼接得到完整的點云。

在測量軟件中建立測量宏程序,其主要的功能如下。

首先,提取點云中的基準特征,并將基準特征對齊到車身坐標,即將理論位置坐標賦值給該特征。以孔的對齊為例,將孔投影到擬合平面,以投影區域的邊界點為空的邊緣特征點,再通過形態學算子隨機提取3點構造出圓[6]。其提取過程如圖7所示。然后,分別提取點云上的孔和面特征,并且和理論值進行對比,得到實際偏差。

圖7 點云圓特征提取賦值過程

2.2 動態成型工藝設計

所采集的工件表面實際偏差值,通過設備I/O傳輸至PLC并下發給沖壓工作站,機器人以沖壓設備凹模上的凹模套中心為坐標系的原點進行標定。首先,沖壓設備上下模打開,機器人抓取沖壓設備運行到凹模架和零件表面貼合位置;然后,控制可移動式凹模仁運動到車身坐標的理論位置,凹模仁移動調整量如式(1)所示,凸模進給,進行前端模塊安裝點的沖孔和拉延成型。

Ladjustment=Nnonimal-Aactual

(1)

設計選用TüNKERS Nut Form and Pierce端拾取設備和機器人配合進行作業,該設備采用電液伺服,能夠提供最大300 kN的成型力。成型過程如圖8所示。

1—凹模架;2—可移動式凹模仁;3—零件;4—沖頭;5—凸模。

工件為加磷高強度用冷軋鋼HC260P,抗剪切力350MPa,厚度1.5mm,需要沖裁尺寸為14×14mm的兩個孔,在線沖裁力計算[7]如式(2)所示。

P=τLtK=350×112×1.5×1.1=64 680 (N)

(2)

式中:τ為材料抗剪強度;L為沖裁孔的周長;t為板材的厚度;K為安全系數。

3 系統組態

3.1 機器人之間的坐標傳遞

工裝坐標系對于每個車身都是固定不變的,工裝落位之后會通過激光追蹤儀使用夾具上的基準孔建立坐標系,工裝坐標系和車身坐標系是一致的。機器人坐標的建立,是通過機器人走10個點位,使用徠卡激光測量機器人法蘭盤上的固定點,得到坐標轉換矩陣,將機器人坐標和工裝坐標綁定。

本文所述的沖壓零件坐標是根據3D掃描的RPS點來建立的,機器人的沖壓行進軌跡是相對于初始化的零件坐標系進行示教。

首先通過視覺系統,獲得初始RPS點的實際值,通過實際值建立圖6的零件坐標系。零件坐標系相對于初始坐標系,獲得轉換矩陣(Offset Matrix),如式(3)所示。這個矩陣轉換成(x/y/z/Rx/Ry/Rz)6個軸值;6個軸值傳遞給機器人,對初始坐標進行平移和旋轉,從而得到沖壓機器人執行軌跡的實際“子坐標系”(圖9)。

圖9 視覺機器人和沖壓機器人坐標傳遞關系

(3)

3.2 通信網絡設計

采用Profibus現場總線作為通信協議,這是運用較為廣泛的總線之一。PLC測量機器人控制系統、在線沖壓機器人控制系統、工業計算機通過Profibus總線進行連接,集成工業計算機操作站通過可視化屏幕對系統進行操作和作業過程結果進行監控。工業計算機與數據庫通過Ethernet連接,將最終的測量結果上傳至數據庫。

4 結果分析驗證

4.1 節拍達成驗證

經過實際生產節拍統計,動態沖壓工位在不同車型的生產節拍均能夠滿足110s的節拍要求。該工站和前序后續工站的PLC通信正常,未造成前后工位的非計劃停機。

4.2 尺寸精度達成驗證

經過實際調試,對動態成型孔的x、y、z方向上三坐標測量值進行了長期跟蹤:

公差要求為:±1.5mm;

實際達成中值:-0.47;-0.50;+0.08;-0.17;-0.17;+0.09;

實際達成PPK:1.36;1.18;1.91;2.69;1.84;2.78。

結果表明:PPK值中除1.36有待分析和觀察之外,該設計能夠明顯地改善前端框架在車身上安裝點的尺寸精度問題,測量結果跟蹤圖如圖10所示。

圖10 測量結果監控數據

5 結語

本文闡述了針對前端模塊的在線檢測和實時動態調整,該設計能夠顯著改善公差積累所帶來的偏差,其應用不僅限于前端框架,在白車身尾門安裝點等尺寸鏈較長場合均可以運用。由于生產現場復雜多樣,測量系統自身的誤差而導致的線性和偏倚值如何補償,因本文篇幅所限,不再贅述。