白车身激光切割技术的应用方案

陶秋实 石鹏程 陈传凯 许亚杰

（上汽通用汽车有限公司整车制造工程部，上海 201208）

1 前言

冲压钣金零件或者分总成零件通过车身车间的多种连接工艺加工成为白车身总成。由于制造误差的累积，零件上的定位孔相对于整车的装配位置就会产生波动，影响后续以此为基准的零件装配质量。如果想要缩短尺寸链，就要在车间内根据车身尺寸状态来加工零件上的安装孔。目前，白车身上使用的孔加工方法主要有冲孔和激光切割两种方法。激光切割相对于冲孔具有高柔性，高精度，低调试成本的特点。本研究方案采用了在线激光切割技术，配合视觉测量引导系统，完成前机舱前端上横拉杆总成定位孔的切割工艺。

2 激光切割工艺介绍

激光切割是利用高能量密度的激光束，辐照工件表面产生热量，熔化金属，并利用与光束同轴的高压气体直接除去熔融金属，从而达到分离材料的目的,如图1所示。

激光加工的特点为激光束能量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工件不受尺寸、形状限制，噪声小，效率高[1]。

3 主要设备

3.1 激光发生器及冷水机

根据切割板材的厚度、材料、镀层等参数选择激光发生器的功率。例如，切割1 mm厚的单层碳钢板，可以选择1～2 kW功率的激光发生器。为了避免设备使用过程中温度过高，需要使用水冷机对激光加工系统进行冷却。水冷机具有温度自动补偿功能，并且具备水温超高，流量低等报警功能。

3.2 激光切割头

激光切割头为标准设备，可根据精度要求和使用功能选择可以配合工业6轴机器人的切割头型号。本方案使用高精度三轴切割头，重复定位精度为±0.1 mm，可实现常规图形切割任务，产品结构如图2所示。

3.3 机器人系统

机器人需要携带激光切割头或者视觉传感器，所以需要选择高精度型号，并且通过虚拟仿真来确定机器人负载及工作范围是否满足工况需求。本方案所使用的机器人具有如下技术参数。

a.J1轴可实现360°旋转；

b.负载70 kg；

c.可达半径2 050 mm；

d.重复定位精度±0.07 mm。

3.4 视觉测量系统

机器人携带柔性视觉传感器，通过高分辨率相机及图像处理技术，得到更高的测量精度和更稳定的测量结果，如图3所示。传感器曝光度及亮度可以无极调整，适应不同材质、不同清洁度、不同光滑度的零件表面。本方案中的视觉传感器有以下技术参数。

a.重复性±0.02 mm，精度±0.05 mm；

b.工作距离150 mm，视场范围X方向范围55 mm、Y方向范围70 mm、Z方向范围50 mm；

c.测量时间小于1 s/点；

d.光源波长450 nm（蓝光）；

e.外形尺寸200 mm×70 mm×150 mm（长×宽×高）。

3.5 控制系统

通过现场总线连接，集成协调控制激光系统、视觉测量系统、机器人系统，以及工位安全设备和其余自动化设备。

加工切割过程中，首先要对机器人、激光器，以及视觉传感器之间的关系进行标定，计算机中载入待加工配件的尺寸与加工位置，通过视觉传感器（图3）实现待加工配件特征的准确测量，自动提取待切割边缘，建立智能化切削路径[2]。

4 整体方案

4.1 工艺介绍

在整车生产制造过程中，车身前端的匹配精度在整个白车身的匹配精度中占有举足轻重的地位，关系到翼子板与发动机盖之间匹配、翼子板与前大灯之间匹配、发动机盖与前大灯之间匹配、发动机盖与前保险杠之间匹配、前保险杠与前大灯之间匹配[3]。本研究中的激光切割方案应用在车身前机舱前端上横拉杆总成上的定位孔切割。该孔用于后续定位安装，可以改善发动机盖，翼子板和侧围的匹配状态。

左右两侧的视觉引导机器人对左右侧围1，2号特征孔（图4）进行拍照，通过图像处理提取特征孔的图像坐标，结合被测特征孔在工件坐标系的理论坐标推算出切割孔位坐标值与理论坐标值的偏差值，并把该偏差值传给PLC，PLC再把数值传给切割机器人进行切割。

切割完成后视觉机器人到切割孔位拍照评价切割孔位位置是否在偏差范围内并给出评价结果，结果合格生产继续，结果不合格设备报警，最后机器人运行温度补偿测量程序完成整个流程。

4.2 平面布局

根据生产节拍及工位内柔性化要求，合理布局设备位置及设备投入量。本方案应用激光切割车身前舱左右两侧定位孔，所以在工位前部布置2台视觉引导机器人，分别测量车身两侧主要特征点的位置信息，并拟合出需要切割定位孔的位置。在前部单侧布置1台激光切割机器人，按照视觉引导拟合的位置，分别切割两侧定位孔。工位内车身后部预留出其它设备空间，满足工位的柔性化改造需求，工位平面布局如图5所示。

4.3 立体布局

激光切割工位需要搭建满足国家标准的激光防护房。为了保持工位间节距，节省车间内有限的地面空间，激光防护房一般设计成上下两层。上层放置外围设备，包括稳压电源、激光发生器、水冷机等，下层放置工艺设备和经常操作的设备。激光切割工位立体布局如图6所示。

4.4 废料收集系统

a.机器人废料收集方案。激光切割完成后，落下的板材废料需要收集处理。工位内的视觉引导机器人一般兼具该辅助功能，在激光切割时，该机器人将废料收集装置移动到切割孔位置的下方来收集掉落的板材，如图7所示。

b.激光房废料收集方案。在激光房内设置一个料斗，连接房子外面的废料箱，料斗用气缸带动盖板密封。进出车时，盖板打开倒废料，废料通过料斗掉落到废料箱，此时激光器不出光。激光切割时，盖板密封。外面放置两个废料箱，其中一个装满时可以用另一个替换。废料收集机构如图8所示。

5 精度控制要求

5.1 温度补偿

机器人自身的往复运动及环境温度变化导致杆件和关节热膨胀变形，造成测量结果产生温度飘移[4]。在工位内建立热系数测量基准，机器人每完成一个测量循环后对基准进行测量，实时修正温度变化引起的工具中心点漂移，保证测量结果真实反映车身尺寸波动。机器人升温影响测量变化趋势如图9所示。

建议将机器人底座做成如图10形式，机器人和温度补偿装置在同一水泥底座上，减少校准时的测量误差。

5.2 地坪需求

建造在线测量专用的一体式隔震地坪，保证更准确、更可靠地测量数据。

a.防止车间震动对测量系统产生干扰；

b.地基温度系数低，可防止车间温度变化对系统产生影响。

切割地坪做成隔震缝式地坪（将此工位的地坪切割成与其他工位相独立的部分，缝隙宽度10～20 mm，如图11所示），将切割引导机器人置于此独立的工位地坪上。

6 结束语

介绍了在线激光切割工位的应用方案，对主要的工艺设备给出了可供参考的技术参数。对视觉引导及切割的工艺方案及技术实施内容进行了说明。激光切割具有高柔性的特点，可以完成不同孔径圆孔或者其它常规形状的切割工作。为满足不同定位孔的需求，只需要对机器人软件程序进行调试，无需增加硬件设备，降低新车型引入生产线的改造成本。

为了保证设备运行的精度，将地坪需求列入到该工位的施工要求中，可以有效降低车间生产时产生的震动影响，保证切割孔的尺寸精度。

激光切割以其高柔性、高精度的特点可以代替冲压车间对某些特殊尺寸控制的定位孔进行加工，具有调试周期短，调试成本低的特点。