基于激光测量技术和视觉测量技术的汽车零部件在线测量系统分析

邓悦星

（上海大众动力总成有限公司，上海 201807）

我国工业产业发展迅速，其中汽车工业是大型工业的代表之一。汽车的生产过程涉及内容广泛，随着线上测量和线下测量项目类型的日益增加，对大批量生产零件的测量标准也日趋严格。提高大尺寸和复杂箱体等零件的测量精度，已经成为当下需要解决的技术难题[1-2]。当前的汽车生产过程中需要检测车身的总成关键点，如车窗和车门等。如果不达标，就会出现封闭不严和漏风的情况。传统检测采取的是人工排模法，效率低下，检测精度差[3]。三坐标测量机存在一定的限制，只能离线定期抽样检测，效率低下，无法满足现代化发展需要。文章基于激光测量技术和视觉测量技术对在线检测系统进行深入分析与研究。

1 基于激光测量技术和视觉测量技术在线测量系统概述

以视觉检测技术和激光测量技术为基础开发设计的在线测量系统优点诸多，既有光学测量的高效性，又兼具机器人测量的柔性，能够针对汽车车身和相应的零部件进行100%的在线尺寸监控。图1为汽车零部件使用的在线测量系统示意图，通常使用标准的四机器人进行测量，共占地面空间约6 m×8 m。它主要由测量机器人和软件、传感器附件和电缆、柔性和固定式的传感器、温度补偿装置以及测量控制柜等组成。

图1 在线测量系统

在线测量时，首先利用模拟机器人的轨迹行径制订实际工作线路，保障各个机器人工作过程不会干涉其他被测工件的各项操作，高效完成测量工作。其次，设定地面的控制点作为测量的固定点开展全局综合跟踪服务，利用全局相机捕捉实时有效的传感器位置，并依据地面控制模块进一步精确调整相关传感器的位置。最后，利用光学成像即利用三维扫描传感器生成相应的光学成像，经被测物体对激光产生相关效应，以在短时间内检测位移，再生成在实时分析过程中需要运用到的几何特征点云，经算法进行提取和解算后实现对零件的在线检测。

2 汽车行业的在线测量技术应用

汽车项目有较多的整体规划，最初期项目规划到交付使用期间，激光在线测量经历了多个环节，如图2所示。

图2 线测量项目实施流程

2.1 项目规划

2.1.1 在线测量工位安装布置

在线测量工位安装布置是一种用于汽车批量生产部件的监测技术，能够在线测量批量生产的零部件尺寸。一般情况下，它主要将其串联于生产流水线，以测量尺寸为核心目的，位于生产线末尾的工位。

2.1.2 在线测量测点的定义和规范

汽车都有在线测量的工位，如何利用此数据促使在线测量发挥其重要作用是当前研究的重点。测点位置的选择、分布等相关工作至关重要[4-5]。根据不同厂区选择测点，开发人员和经验丰富的人员根据生产过程积累的历史总结，结合功能尺寸进行选择。为了有效提高效率，提出分区域预警理念，主要是有效划分测点，即依据测点位置的重要性设置相应的测点分布，通过固化70%～80%的测点，在测点选择中实现较高的延续性，集中呈现报警区域，最终找出实际存在的问题。

2.2 设备安装调试

测点定义结束才能开展后续工作，此时需依据在线测量系统模型图将各个装置安装到位，主要安装的是测量机器人和软件、传感器附件和电缆、柔性和固定式的传感器、温度补偿装置以及测量控制柜。测量阶段要重视振动和光照等干扰性较强的因素，同时严格控制测量位置和使用的算法。针对在线测量系统开展相关的静态测试和动态测试，以确保在线测量系统的稳定性和测量数据结果的准确性。

2.2.1 静态精度测试

固定夹紧汽车的零件，开始静态测试。利用激光针对每一测点进行100次的反复测试，要求测完零件所有测点。依据静态测试得出不同测点的值，其中最重要的是6 Sigma值，能有效反映此次测试的最终精准度。静态测试要求6 Sigma必须低于0.03。本次测量结果显示，所有测点6 Sigma数值全部低于0.03，符合标准。

2.2.2 半动态精度测试

完成静态测试后才能开始半动态测试。测完一次零部件的全部测点，再循环测试15次，每次测试前要把夹具松开，重新放置定位点。依据半动态测试得出不同测点的各个值，发现它和静态精度测试均是由6 Sigma值反映精度的。半动态测试的验收标准也要求6 Sigma低于0.03。相关测点测量出的半动态测试结果显示，所有测点的半动态测试6 Sigma数值全部低于0.03，符合标准。

2.2.3 动态精度测试

完成静态与半动态的测试后才能开展动态测试，测定汽车零件的所有测点，松开夹具，放置下一个零件并夹紧定位测量，运用在线测量系统模拟测试生产线节拍，确定测量周期。依据与量产时节拍相似的情况，主要输送汽车车身的零部件、零件定位以及零件夹紧。

评价测量设备的实用性，主要通过测量设备的测量极限偏差与公差，然后进行比较评价。动态测试公式为

其中，有

式中：us为传感器的测头精度；uKal为传感器测头测量偏差；uw为动态测试测量偏差。

2.3 相关性调整

三坐标测量系统是一种常规的测量方法，虽然在当前受到广泛的应用与认可，但现代化发展中需要新技术来优化和改进测量系统。激光在线测量是一种新型测量技术，仍需要进一步明确测量结果的准确性。依据VDI-VDE标准仪器验收标准，光学测量与三坐标测量为线性关系。对比两者的测量数据计算它们的相关性，并验证在线测量和三坐标测量。

以某车型的零部件为案例进行分析，使用激光测量技术和视觉测量技术在线测量与三坐标测量的数据计算相关性，得出两者的相关系数r，即

激光测量技术和视觉测量技术在线测量与三坐标测量的数据对比后显示，2种不同的测量方法相关性和一致性较高，进一步表明了以激光和视觉为基础的在线测量系统准确性较高。

2.4 批量质量监控及优化

依据分析可以根据测点的重要性划分，经软件处理，对三级监控的尺寸公差进行相应的设定，即趋势报警、报警、停线报警的公差。在线测量原始公差为一般公差，而报警公差则是图纸公差的2倍，停线公差则是图纸公差的3倍。

对于图纸点，当1台车超出30%的图纸点高于停线公差，或者5台车连续同一图纸点出现超差情况即是停线一次。对于普通公差，当1台车超出20%的公差点高于停线公差，或者5台车连续同一FM点出现超差情况即是停线一次。对于重点监控公差，高于停线公差即停线一次。

利用高效的在线测量技术能准确快速找出存在的质量问题并优化零件，避免车身出现质量问题。

3 结语

随着汽车行业的发展，三坐标测量技术已经不能适应当前生产的需求。以激光测量技术和视觉测量技术作为核心的在线测量系统具有响应快、精度高等优点，受到了汽车生产厂家的重视。分析可知，在测量附件的配合下，激光和视觉测量系统更符合当前市场的需求和现场的实际应用。在测量部分大尺寸和较为复杂的零部件时，使用在线测量技术效果突出。