在新一代的整车设计过程中，为满足越来越高的客户要求，对白车身制造过程也提出了更高的匹配以及尺寸质量要求，为此，在车身焊装车间内在线加工定位孔是个理想的解决方案，可缩短尺寸链，建立更好的尺寸配合。

目前，车身焊装车间使用专用冲枪以满足特殊的冲孔需求，冲枪设备专机专用，缺乏加工不同形状、不同孔径的柔性，后期引入新车型时设备投资和调试难度也较大。故本文引入了一个柔性在线切割工位，采用视觉系统引导激光切割，该工位使用机器人带激光头切割，比传统冲枪的柔性高，且新车型引入设备投资小，调试难度低，在车身车间补焊线上在线加工定位孔，不仅满足了一般定位孔的切割需求，并预留了特殊图形切割以及修边切割的能力，对日后缩短白车身尺寸链的各种设计也提供了柔性方案，改善了最终产品尺寸。

原理分析

1.尺寸关系建立

为满足白车身制造过程中更高的匹配及尺寸质量要求，在车身焊装车间内在线加工定位孔可缩短尺寸链，建立更好的尺寸配合。以下从白车身的前部的主要定位策略入手，进行尺寸关系的分析。

在线加工前部定位孔，作为后道工序安装基准，可以改善前盖与翼子版、侧围的匹配。前部尺寸关系如图1所示，利用焊接完成的白车身总成上的特定孔和面，建立车身的前部子坐标系，它将区别于车身整车坐标系，以便于进行前部结构的独立尺寸链计算，从而在子坐标系中确认所要加工的孔的位置。建立子坐标系的参考点可选择：①根据产品要求在散热器框架小支架上加工定位孔；②利用左右铰链内板的主定位孔的中间值确定所加工孔的前后向位置（F/A）；③利用散热器框架的一对已有定位孔的中心线确定所加工孔的进出向位置（C/C）；④所加工孔的高低向（U/D）可以根据产品设计而使用铰链内板主定位孔确定或者使用散热器框架加工孔附近的型面高低确定。

2.工艺流程简述

首先，焊接完成的白车身总成传输到补焊线在线切割工位，落位后完成定位；之后视觉系统通过多组镜头采集定位孔或面的特征数据，进行后台数据处理；运算后的数据传输给机器人，机器人带着激光切割头进行工件加工；最后，通过检测设备确认工作完成，白车身可离开，进入下一个工位。

3.理论精度分析

当其他因素不变时，使用机器人带着视觉镜头进行单次拍摄的精度为0.21 mm，车身位置由2个点决定，所以视觉系统的精度为: 。各设备精度如表1所示。

根据表1，按照累计误差粗略计算，激光切割系统总精度为: 

4.原理分析结论

根据上述的理论分析，柔性在线切割工位的设计可以满足高精度车身定位孔的加工。如果产品设计对加工对象有更高的精度要求，可以通过选用线旁固定式的视觉系统，去除视觉机器人的自身误差，降低视觉系统的误差，提高最终的精度。反之亦然，如果加工精度要求较低，可以适当降低激光切割头、机器人、视觉镜头的选型，以达到降低成本的目的。

方案设计

1.工位布局

为达到上述的工艺目的，在考虑工位柔性又兼顾设备投入的前提下，排布平面布局图时，应在线切割工位的前部布置一台激光切割机器人，两台辅助机器人，同时，在工位后部预留空间，可用于后部机器人加工工艺的预留。如图2所示。　　

考虑在线切割工位的立体布置时，为了不影响现有工厂的标准工位大小，最大化地节省车间地面空间，可最优地选择双层布局来摆放设备。地面主要摆放切割机器人和辅助机器人，其中辅助机器人集成视觉系统和废料收集系统。上层主要摆放外围设备，其中包括稳压电源、冷水机及激光发生器等，如图3所示。上层设备均可根据各工厂实际情况调整至侧上方或者地面。整个切割工位外部需要搭建激光防护房，激光防护房需要满足国家标准，经过检验需满足激光辐射的标准。

2.核心设备

柔性在线切割工位由主机、控制系统、激光器、水冷机组、激光切割头、机器人系统以及视觉定位系统等设备组成。

（1）主机

该工位的激光切割系统由一套机器人系统、一套光纤激光器组成，由光纤传输将激光导到切割头聚焦镜上，聚焦到一点，照射在待加工钢材上，产生极高的温度，实现对零件进行激光加工。

（2）控制系统

通过现场总线连接激光器、水冷机、机器人及视觉定位系统，实现整个切割加工系统的集成控制。其中，机器人控制器上能够实现激光器、多路气体开关的协调控制，同时还能实现激光功率、切割速度等参数的设置，另外，机器人急停按钮可停止整个系统动作。

（3）激光器

根据所需加工的零件的板材属性，包括厚度、材料以及镀层等关键参数，来选择相对应的激光器功率。例如切割车身零件1 mm厚的单层碳钢板，可选择1～2 kW功率的激光器。

（4）水冷机

因设备使用的环境温度不能过高，激光切割系统需配有一套外部水冷机组。水冷机具备水温自动补偿功能，用来满足整个激光加工系统（包括激光器、切割头等部件）正常使用的冷却要求。水冷机可集成水温超高报警、流量低报警以及冷却水电导率高报警等完善的报警功能。

（5）激光切割头

现在国内外都有成熟的设备可以选择，选型可以根据不同的精度、功能需求，搭配激光器组成成套的系统以满足不同的需要。本文所述的柔性在线切割工位对激光切割头的基本要求为：①重复精度为±0.1 mm；②可承受3 kW的激光功率；③适合工业六轴机器人使用；④高光学质量、高稳定性；⑤含防尘保护，各易耗组件更换方便。

（6）机器人系统

为满足高精度以及高柔性的工位需求，本文优选地使用高精度机器人，并通过仿真模拟来确定机器人所需要的负载、运动范围等。机器人几何运动学范围需覆盖切割头加工过程的所有路径，如图4所示。

（7）视觉定位系统

两台辅助机器人上分别带有视觉相机，由机器人带动相机到指定检测点拍照。检测流程如下：①机器人分别控制带动两个相机到第一个拍照点拍照，例如，左右铰链内板的主定位孔，获取图像分析出定位孔坐标，将数据给上位机；②机器人带动相机到第二个拍照点拍照，例如，散热器框架的一对已有定位孔，获取图像分析出定位孔坐标，将数据给上位机；③根据上文第一章节的原理分析，整合数据后输出给机器人执行切割程序。

激光切割的优势

现阶段车身焊装车间最常使用的是专用冲枪以满足特殊的冲孔需求，然而冲枪设备专机专用，缺乏加工不同孔径的柔性，后期引入新车型时设备投资和调试难度也较大。本文按上述实例提出，在散热器框架上使用激光系统切孔，相比传统的专用冲枪，该系统满足精细构件在精加工状态的切割，不仅可满足产品切割合格率，使产品达到切割成型美观，成型小，强度高，切割热影响区小等高品质切割，而且大幅度减少切割残余应力影响，满足产品设计对工件的微量变形要求，达到切割产品一致性的要求。

除了已经在试运行的圆孔切割运用以外，激光切割的最大优势在于柔性，预留了不同图形加工的可能性，更能实现修边、切边等普通冲枪不能完成的任务。如图5所示，若零件需要在A、B处将多余板材切除，传统做法是需要定制专用仿形切刀并且设置独立的分拼切边工位进行加工，A和B处专机专用。利用激光切割系统，通过调试机器人的运动路径，就可以实现多处的在线的切边工艺，节省了车间空间、引入改造时间以及增加了调试柔性。

总结

本文引入了一个柔性在线切割工位，具备了高精度车身定位孔加工的基本功能。采用视觉系统引导激光切割，使该工位具有柔性高，车型引入投资小，调试难度低等优越性，不仅满足了一般定位孔的切割需求，并预留了特殊图形切割以及修边切割的能力。
柔性在线切割工位的设立，对日后新一代车型的各种设计想法提供了柔性方案：由供应商厂外单件冲孔改为车身厂内加工定位孔，可以缩短尺寸链，改善最终产品尺寸；由冲压五序冲孔切边改为车身厂内激光切割，可以降低冲压模具费用投入，并解决冲压成型无法解决的问题。在工业不断智能化、车型设计不断多样化的同时，相信柔性在线切割工位在不久的将来会得到更好的应用与拓展。