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Active Error Compensating Welding Fixture System for Auto Body

ZHANG Jia-liang , YANG Jian-guo XIE Qi-jun WANG Yi (E

College of Mechanical Engineering, Donghua Unitersity, Shanghai 201620, China

Abstract: The welding fixtures are the most important devices for an auto body welding assembly line. The current special fixtures used by many automotive manufactures are only fit for one or several specific welding processes, and the dimensional problem in the circle due to several variation sources accumulation has no adjustment. The active error compensating welding fixture system for auto body is designed and manufactured. The detecting model. coordinate transformation model, and adjusting model based on auto body coordinate system are presented. The dowel pin modular design is adopted in the structure of the fixture to suit different workpieces with some similar characteristics. The online detection and adaptive control system using eddy current sensors and adaptive adjusting devices is analyzed. Three kinds of the left rear wheel covers SGM60 are selected to test workpieces of the developed system, and the active error compensating experiments are performed in the lab for many times. Test results show the validity of mechanism reconfigurations, on-line detections and error compensations of the developed welding fixture.

Key words: welding fixture; online detection; error compensation ; reconfiguration; auto body

CLC number: TG759; TP23 Document code: A Article ID: 1672- 0361 - 07

Introduction

Auto body assembly process, consisting of up to seventy stations, is a typical multi-station assembly process to fabricate the structural frame of a car body, where typically involves joining of several hundred sheet metal parts to form a body-in-white ( BIW) assembly. Welding contributes much to the assembly process. The process is often subject to errors of various natures, such as, the nonnominal shape and size of sheet metals, the non-nominal location and deteriorated condition of tooling, and imperfect welds. Each of these errors causes product dimensional problem, resulting in low quality and poor performance of BIW.

The welding fixtures are the most important devices

Received date: 2008 - 07 - 08

for an auto body welding assembly line. According to statistics, about 73% of variation problems from preproduction to the production phase were caused by fixture related problems. In the assembly process with sheet metal laser welding, fixtures function not only controls the assembly variation, but also maintains an intimate fit-up between the assembled parts, and the latter is the key factor in ensuring satisfactory implementation of laser welding and the improvement of weld quality[ ^l #39; . To improve the situation, it is of great importance to develop a fixture scheme with less sensitivity to control variables and noise effects. Therefore, in-depth research on quality design of fixture planning for flexible sheet metal assembly is highly desired.

Considerable researches have recently been conducted in dimensional control in manufacturing process. Ceglarek and Shi^t31 detected and isolated principal components from measurement data, and compared them with predetermined variation patterns to diagnose single fixture#39; faults. Using diagnostic vectors in predetermined variation patterns, Apley and Shi[ ⁴] proposed a procedure for the diagnosis of multiple fixture faults based on the least squares estimation method. In the case of compliant parts, the diagnosis of multiple fixture faults has also been studied. Chang and Gossard^F51 developed a computational method for the diagnosis of multiple fixture faults of compliant assegrave;mblies. The approach can predict the fixture faults from assembly measurement, not just on individual components. Liu and Hu^m developed the designated component analysis using multivariate statistical analysis. To select a set of minimum number of sensor locations among the many available ones is a crucial activity, so that the data collected may provide the greatest opportunity for the detection of failures. Khan et al . suggested an optimization method for the sensor locations, based on the Euclidean distance between the two closest diagnostic vectors. Djurdjanovic and Ni[ ⁸] used a stream of variation modeling for machining process for measurement synthesis. Ding et al. presented an optimal sensor distribution for multi-station assembly systems considering a 3 - 2 - I locating scheme and in-plane fixture failures. Camelio et al . [ ¹⁰] proposed a sensor placement

Foundation items: Shanghai Leading Academic Discipline Project, China (No. B602); Patent Second Development Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality, China(No. ()5dz52038)

Correspondence should be addressed 10 ZHANG Jia-liang, E-mail: zjili@dhu. edu. cn

Q)nghua ) .4

methodology for effective fault diagnosis in compliance parts assembly considering an N - 2 - I locating scheme, where the effective independence sensor placement method was adopted. However, all dimensional control methods mentioned above are complicated because they require expertise in data analysis and knowledge about the body structure as well as the assembly process. Additionally, all dimensional improvement activities, only as a remediation, would not become effective until the next production circle launched, whereas dimensional problem in this circle due to several variation sources accumulation had no adjustment. The method of error compensation by upstream processes should be an instant approach to achieve dimensional control in process.

Error compensation can be divided into generally two categories depending on the extent of the repeatability of the system in traditional manufacturing operations such as machining, assembly, and

汽车车身主动误差补偿焊接夹具系统

张家梁，杨建国，解奇军，王毅

东华大学机械工程学院，上海 201620，中国

摘要:焊接夹具是汽车车身焊接生产线上最重要的设备。目前许多汽车制造企业使用的专用夹具只适用于一种或几种特定的焊接工艺，且由于多种变化源的积累而造成生产周期内的尺寸问题没有得到调整。因此设计制造了汽车车身主动误差补偿焊接夹具系统。提出了基于汽车车身坐标系的检测模型、坐标转换模型和调整模型。夹具的结构采用销钉模块化设计以适应具有相似特点的不同工件。分析了基于涡流传感器和自适应调节装置的在线检测自适应控制系统。选用了三种SGM60左后轮罩对所开发系统的工件进行测试，并在实验室进行了多次主动误差补偿实验。试验结果表明所研制的焊接夹具机械装置重构、在线检测和误差补偿是有效的。

关键词：焊接夹具；在线检测；误差补偿；重构；汽车车身。

介绍：

汽车车身装配工艺由多达70个工位组成，是一种典型的多工位装配工艺，用于制造车身的结构框架，通常需要将数百个钣金零件连接起来，形成一个白色车身(BIW)总成。焊接在装配过程中起很大作用。加工过程中经常会出现各种误差，如板料的非公称形状和尺寸、模具的不正规定位和恶化情况、焊接不良等。每一个错误都会导致产品尺寸问题，导致BIW质量低，性能差。

焊接夹具是汽车车身焊接装配线上最重要的设备。据统计，从生产前期到生产阶段，约73%的变型问题是由与夹具相关的问题引起的。在钣金激光焊接装配过程中，夹具的作用不仅控制了装配的变型，而且还保持了装配件之间的紧密配合，后者是保证激光焊接顺利实施和焊缝质量提高的关键因素。为了改善这种情况，开发一种对控制变量和噪声影响不敏感的夹具方案是非常重要的。因此，对柔性钣金装配夹具方案的质量设计进行深入研究是十分必要的。

近年来，在制造过程的尺寸控制方面进行了大量的研究。Ceglarek和Shi从测量数据中检测并分离出主成分，并与预定的变化模式进行对比判断出单个夹具的故障。Apley和Shi利用预定变化模式的诊断向量，提出了一种基于最小二乘估计的多夹具故障判断方法。对柔性零件情况下的多夹具故障的判断也有所研究。Chang和Gossard开发了一种计算方法用于判断柔性装配的多夹具故障。该方法可以通过装配测量来预测夹具的故障，而不仅仅是单个零件的故障。Liu和Hu采用多元统计分析方法进行了指定成分分析。在众多可用的传感器位置中选择一组最小数量的传感器位置是一项关键的工作，这样收集到的数据就可以为故障检测提供最大的机会。Khan等人提出了一种基于距离最近的两个诊断向量之间欧几里德距离的传感器位置优化方法。Djurdjanovic和Ni采用了一系列变化建模的方法对加工过程进行综合测量。Ding等人考虑到3 - 2 - I定位方案和平面夹具故障提出了一种多工位装配系统的最优传感器分布方案。Camelio等人考虑到N - 2 - I定位方案提出了一种针对柔度零件有效故障诊断的传感器布置方法，其采用了有效的独立传感器布置方法。然而，上述所有的尺寸控制方法都是复杂的，因为它们需要数据分析方面的专业知识和有关车身结构和装配过程的知识。另外，所有的尺寸改进活动，仅仅作为一种补救措施，要到下一个生产周期开始时才会生效，而这个周期中由于多个变化源的积累而产生的尺寸问题是没有得到调整的。逆向过程的误差补偿方法是实现生产过程中尺寸控制的一种紧急措施。

根据系统在加工、装配和检验等传统制造操作中的可重复性程度，误差补偿一般可分为两类。其中一种方法是“预校准误差补偿”，即在制造操作之前或之后测量误差，并在随后的操作中修正或校准制造过程。然而，这是假设整个制造和测量过程具有高度的可重复性。另一种方法是“主动误差补偿法”，即利用制造过程中监测到的误差，在同一操作过程中修正制造过程。该工艺的优点是，利用误差补偿技术可以在相对较低等级的机器上实现较高等级的产品精度。本文利用涡流传感器和自适应调节装置，在一种新型柔性结构上开发了主动误差补偿系统，实现了对单个钣金装配工位的实时检测和尺寸误差补偿。

1 检测和调整模型

该系统的检测和调节模型基于涡流传感器的检测原理，可以通过车身坐标系和坐标变换模型建立。

• 1. 检测模型

涡流传感器具有非接触式、线性度高、分辨率高等优点，能够对探测到的金属导体与探针表面的距离进行静态、动态测量。当探头与被测零件表面间距变化时，线圈的电涡流阻抗值也随之变化。当间距较小时，电涡流的作用较强，线圈的阻抗值较小。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应，电涡流效应与被测金属导体的电阻率P、磁导率mu;以及几何形状有关，与线圈的几何参数r、线圈中的激励电流频率f、导体之间的距离x有关。当传感器线圈受电涡流影响时，等阻抗函数关系如下:

（1）

从上面的公式我们可以看到,如果我们只改变一个参数x,那么阻抗值Q只是这个距离参数x的一个单值函数。Q值的变化可以放大和处理检波、滤波和线性补偿的检测电压的变化并间接将机械位移值转化成电压值。然后通过A/D变换器得到真实位移值。

• 1. 坐标变换模型

车身坐标系是笛卡尔坐标系，它是为了准确定位车身上任意点的间距位置而构造的。它的原点通常位于汽车前轴的中心。X轴为前后方向(F/ R);它的正方向指向车身后部。Y轴为水平方向(I/O);它的正方向指向车身右侧。Z轴为高低方向(H/L);它的正方向指向上方。在整车坐标系中，与X、Y、Z轴平行的直线理论上将整车划分为实体网格。这些实体网格在正交投影平面上的投影是车身设计图纸所依据的坐标系网格线。

图1 空间直线

如图1所示，已知A (X₁, Y₁, Z₁)， B(X₂, Y₂, Z₂)， C(X₃,Y₃, Z₃)， BC = a，利用空间直线的点向形式方程可得

(2)

点C在AB的延长线上，所以P gt; 0。我们可以很容易地得到点C的坐标:

对应于车身坐标系，每个焊接夹具的焊接位置都有一个工作坐标系。在夹具工作坐标系中，设A, B为传感器轴上的两点。B点为传感器端面中心，C点为工件检测点，a为传感器测量位移。该模型将传感器检测到的位移值转换为工件表面的坐标值。

• 1. 调整模型

这里，假设工件被测点的实际坐标为T_c1 (X_c1, Y_c1, Z_c1)，在整个焊接夹具中建立一个工作坐标系，然后根据该坐标系得到任意点的坐标。设工件上关键控制点的理论坐标为T₀(X₀, Y₀, Z₀)，工件上检测点的理论坐标为T₀₂ (X₀₂, Y₀₂, Z₀₂)。T₀与T₀₂之间存在T₀ = T₀₂ T_z的变换关系。其中，T_z为变换矩阵。

(4)

设T_z为(X_z, Y_z, Z_z)，则工件上关键控制点的实际坐标为

(5)

因此，只要将焊接夹具工作坐标系投影到车身坐标系中，就可以得到在车身坐标系下工作时关键控制点的坐标位置。

一般来说，首先通过涡流传感器得到检测点的位移值，然后在车身坐标系下得到工作过程中关键控制点的坐标位置。通过对各关键控制点的测量坐标与理论坐标的比较，可以判断出工件的尺寸差异是否过大。以这种有限的超调情况为系统的声光报警条件。并可作为系统自动保存工件状态信息的触发事件。根据数据分析结果，采用自适应调整装置对工件尺寸误差进行调整和补偿。

1. 焊接夹具的柔性概念

对于柔性钣金件，N - 2 - 1方案考虑在主基准面上放置N个定位器，在次基准面上放置2个定位器，在第三基准面上放置1个定位器。图2显示了金属板4 - 2 - I定位方案的一个示例。采用4个夹具(A₁, A₂, A₃, A₄)在原始基准上约束零件的运动和变形。采用销钉和销槽来约束零件的平面内运动。定位器(B₁, B₂)将零件定位在辅助基准上，定位器C₁用于辅助基准上。

图2 N-2-1定位方案

目前许多汽车制造商使用的夹具是只适用于一种或几种特定焊接工艺的专用夹具。这些夹具具有生产规模小、设计个性化的趋势，设计生产周期长、重复使用比例低等缺点，严重制约了汽车焊接工艺质量的提高。此外，硬件夹具的设计和制造成本很高，制造工厂设计和安装新夹具的交货期很长。由于交货期长，固定装置通常安装在工厂车间，而生产线仍在使用较旧的固定装置运行。这意味着此类工厂必须足够大，能够容纳两套装配夹具。上述以及与使用现有技术硬件夹具相关的其他一些负面因素，都会削弱制造商的竞争优势。为了保持竞争力，夹具技术必须不断发展，使夹具的设计和使用具有灵活性。

与一些比较出色系列模块相比，新型焊接夹具具有精度高、刚性好、装配时间短、加工工艺效率高等优点。为了实现夹具和定位销可以在三个方向上进行调整，夹具的总体结构如图3所示。

图3 汽车车身柔性焊接夹具的总体结构

其主要模块如下。

1. 阵列孔平台可以在X和Y两个方向上通过一定的步骤进行调整。
2. 独立主机定位机构的主体也是阵列孔板，通过阵列孔可以方便地重建和安装定位器。
3. 有阵列孔的支承柱，或包含带有内外阵列孔的两个套筒的套筒机构，可在一定的台阶内垂直方向调整夹具。
4. 气动控制系统包括夹气缸、电磁阀等气动元件和仪器。
5. 其它部件有过渡平板和过渡块、夹紧块和支承块、压力棒。

在现有的焊接夹具中，定位机构是依附于夹紧机构的。生产汽车的模式一旦发生很大变化，就很难重建。所有这些都应该反过来重新设计和制造。然而，独立的主机定位机构只需要在有阵列孔的平台上重建定位器就可以适应新型小车。这样，根据焊接零件的相似特性，焊接夹具的重新配置就更加方便。

1. 主动误差补偿系统

误差补偿主要是对误差的各种来源和补偿方法的研究。由于板料装配的产品质量受各种变化源的整体影响，误差补偿系统应该考虑这些源之间的相互作用，而不是单独考虑每个误差。因此，需要用动态方法代替静态方法。因此，误差补偿技术可以大致分为两大活动领域，即静态误差补偿和动态误差补偿。静态误差补偿主要是对非标称位置、夹具老化等基本误差的识别和校正，而动态误差补偿技术一般是用来修正焊缝热和零件回弹综合变化的。

主动错误补偿的过程可以总结为如下的活动:

1. 识别各种来源的变化，确定传感器的最佳安装位置;
2. 对保存到状态内存数据库的每个错误组件和数据进行在线测量;
3. 误差分量模型的建立与优化;
4. 通过自适应调整装置实现误差补偿。
   1. 控制系统硬件

设计了一个简单的检测和调节控制系统的框图，如图4所示。涡流传感器检测到的电压信号通过数据采集卡PCI - 9118DG的A/D模块进行转换。双相步进电机DMD402与其控制卡MPC07相连。建立了一种开环控制系统来控制调节装置的误差补偿。

图4 检测和调节控制系统框图

• 1. 自适应调整装置

基于Unigraphics NX 3.0环境和虚拟设计装配技术，研究并制作了一种体积小、自锁能力强的焊接过程尺寸偏差补偿自适应调节装置。该装置由步进电机、滚珠丝杠、膜联轴器、直线导轨系统、支架、调节杆等组成，如图5所示。

图5 自适应调节装置

• 1. 控制系统软件

首先进行传感器标定试验，得到线性曲线的归一化。然后在vb6.0集成开发环境中，采用软件滤波技术去除数据中的异常值，采用模块化可视化主动式X技术开发在线检测系统。包括参数设置、智能检测、数据分析等。主动误差补偿系统软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

采用步进电机细分技术满足系统精度要求，采用PMAC (Programmable Multi-axis Controller，可编程多轴控制器)技术开发间隙调节模块。

1. 实验

为了满足具有相似特性的不同工件对焊接夹具具有良好适应性的要求，设计并加工了适当数量的主部件。所开发系统的试验工件选用左后轮盖SGM60。图7显示了3个测试工件，其中CGI、CG2和CG3分别由5个、3个和2个冲压件组成。图8显示了通过虚拟设计和装配技术重新配置的相应焊接夹具。焊接夹具的原型在大约5个小时内成功地重新配置。lt;