CN104268427B - 面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统及方法，该系统包括夹具失效模式空间计算模块，多源异类数据处理模块，多工位下偏差源的识别与诊断模块。该方法基于CAD定位信息和装配工艺信息的偏差模式定义及其计算方法，并利用向量正交化方法的获得包含偏差模式及其补空间的偏差空间，通过对测点数据向偏差空间投影并作MR控制图，实现多工位的夹具偏差源的实时诊断；利用关键特性控制（KPC）的关键测点异化检测数据，利用多源数理统计的方法，通过数据的协方差矩阵提取数据失效模式，进而进行模式的相关性分析实现零部件超差的诊断。

Description

面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种汽车工程技术领域的偏差诊断系统，具体涉及一种面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统及方法。

背景技术

车身装配偏差源诊断技术一直是汽车制造企业在尺寸精度提升过程中的难题，在车身复杂的装配过程中零件制造偏差、夹具定位偏差、焊接误差以及操作缺陷等多误差源都会对白车身的装配偏差造成影响，而白车身的装配偏差对整车质量、车身外观质量、工程匹配以及市场占有率等均有很大的影响。

传统的SPC质量控制方法没有针对偏差源进行检测，当超差发生后，不能实现对偏差源的识别，因此，众多学者对基于数据驱动的方法进行了深入的研究。Hu和Wu首先利用主成分分析法对在线测量数据进行分析，初步实现了夹具偏差源的识别。在此基础上，Ceglarek等提出基于模式识别的系统性诊断方法，将主成分与预先定义好的失效模式通过计算欧式距离进行匹配，实现单工位夹具失效诊断。对于多夹具失效的情况，Liu和Hu等提出指定成分分析法对夹具偏差进行诊断，通过预先定义一组相互正交的夹具变形模式，初步解决了多夹具偏差混杂于同一主特征向量造成识别困难的问题。这些方法都未能实现夹具失效的多工位诊断。另外，从零部件加工到总成的过程，虽然存在着对关键产品特性（KeyProduct Characteristics，KPCs）控制，但是不同设备测得的异化数据不能直接进行相关性分析，无法实现多偏差源诊断。

申请号为：200810042485，发明名称为基于偏差模式的柔性薄板产品夹具偏差诊断系统，该申请将主向量与先前已定义或已解决的案例模式进行匹配，实现偏差源的诊断。但是在多故障同时存在时，多偏差源的影响易混杂在同一主向量中，从而无法获得与之匹配的失效模式，造成偏差源识别困难，并且，偏差模式的识别很大程度上依赖已有偏差模式的定义与计算，对人员的经验和装配工艺知识的要求较高，这也限制了其在装配车间的实际应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于数据驱动车身偏差诊断系统，针对多工位多偏差源诊断的难题，提出基于CAD信息的偏差模式定义及计算方法，并通过将检测数据投影到由其扩展而成的偏差空间的方式，实现多工位的多夹具偏差的在线诊断；利用关键特性控制的关键测点的异化检测数据，通过对检测数据的协方差矩阵的模式提取，利用模式的相关性分析实现零部件超差的诊断。

本发明的技术方案如下：

一种面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统，该系统包括夹具失效模式空间计算模块，用于实现单工位潜在夹具失效模式的计算和多工位夹具失效模式的计算；多源异类数据处理模块，用于实现检测数据在模式空间上的投影与计算；多工位下偏差源的识别与诊断模块，用于多工位下偏差源的在线诊断。

一种面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断方法，具体步骤为：

步骤一 ：采用夹具失效模式空间计算模块，提取装配过程中测点和夹具定位点的坐标，实现单工位潜在夹具失效模式的计算，并利用装配工艺信息，计算各测点在装配后的坐标位置变化，实现多工位失效模式的计算；

步骤二 ：采用多源异类数据处理模块，利用向量正交化方法获得包含偏差模式及其补空间的偏差空间，利用不同工位间检测数据计算进行模式提取，实现多工位的夹具偏差源的实时诊断；

步骤三：多工位下偏差源的识别与诊断模块，利用多源数理统计的方法，通过数据的协方差矩阵提取数据失效模式，进而进行模式的相关性分析实现零部件超差的诊断。

所述步骤一的具体步骤为：

（1）失效模式分类：依据部件定位失效后的移动方式，将失效模式分为平动和转动两类；

（2）偏差模式方向的定义：当潜在平动失效发生后，指定所有测点向右侧移动为正；当潜在旋转失效发生后，各个测点逆时针移动的方向为正；

（3）单工位零件平动条件下夹具失效模式的定义：设失效的部件正向移动的切向量为[Tx,Ty,Tz]，则该工位下的夹具失效模式为：

。

其中，表示第个测点的切向量的J方向分量；

（4）对于两部件的矩形定位点平行的情况，将新增部件测点全部记为0并记入原失效模式组成多工位平动失效模式：

其余情况平动的失效模式显著改变部件的几何特征，应用零部件的失效诊断方法进行诊断；

（5）单工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算：当部件在失效自由度下旋转时，定义旋转失效模式为各个测点在逆时针移动的方向乘以各测点距离旋转中心的距离，失效模式为：

其中，为测点（i=1,2,…,n）到其旋转中心的距离，(i=1,2,…,n;j=x,y,z)为测点在J方向的数值；失效模式的计算方法如下：将部件先逆时针旋转单位角度，根据测点的坐标和旋转中心的坐标计算各个测点的新坐标记为，之后，将部件向相反方向移动单位角度得到的新的坐标向量为，则失效模式为，如图1，若P2失效，则分别向正向和负向转动相同的角度，分别计算两次旋转后各测点的坐标，两者相减后得到失效模式为；

（6）多工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算：多工位装配过程，对于第一次旋转单位角度后，可以根据原P4定位点坐标，旋转后P4定位点坐标和装配旋转中心P1的坐标，三点计算出装配旋转角β，利用β和旋转中心P1的坐标，可以计算出各个测点绕旋转中心P1旋转β度后的新坐标，其组成的列向量记为，对于反向旋转的坐标同样计算，就是经过多工位偏差传递后的失效模式；

（7）将所有得到的模式进行单位化处理。

本发明的有益效果是：

本发明引入新的失效模式定义方法，将CAD以及工艺的信息充分集成到模式定义中，并充分利用这些信息通过计算的方法获得具有足够精度的失效模式，建立了一套多工位的车身夹具失效诊断系统，克服了传统基于数据驱动的方法无法应用于多工位的情况；通过失效模式获得失效空间，建立了针对于失效源的统计质量控制图，实现车身装配过程直接针对于潜在失效源的在线质量控制，有效提高了对诊断知识利用率以及诊断效率；充分利用多源异化诊断数据，通过多源数理统计的方法提取检测数据的偏差模式，利用相关性分析方法实现零部件的超差诊断。

附图说明

图1是单工位失效模式计算方法图；

图2是零部件转动的多工位失效模式计算方法图；

图3是三块薄板件的装配示意图；

图4是P4的MR控制图；

图5是P_1（Z）的MR控制图；

图6是本发明的系统功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图6所示，本发明的面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统，包括夹具失效模式空间计算模块，用于实现单工位潜在夹具失效模式的计算和多工位夹具失效模式的计算；多源异类数据处理模块，用于实现检测数据在模式空间上的投影与计算；多工位下偏差源的识别与诊断模块，用于多工位下偏差源的在线诊断。

本发明的面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断方法，具体步骤如下：

步骤一： 提取装配过程中测点和夹具定位点的坐标，实现单工位潜在夹具失效模式的计算，并利用装配工艺信息，计算各测点在装配后的坐标位置变化，实现多工位失效模式的计算。

所述步骤一的具体步骤为：

（1）失效模式分类。当某定位元件失效后，部件可以平动或绕定轴转动，依据定位失效后部件的移动方式，将失效模式分为平动和转动两类。

（2）偏差模式方向的定义。当潜在平动失效发生后，指定所有测点向右侧（第一、四象限）移动为正；当潜在旋转失效发生后，各个测点逆时针移动的方向为正。

（3）单工位零件平动条件下夹具失效模式的定义。设失效的部件正向移动的切向量为[Tx,Ty,Tz]，则该工位下的夹具失效模式为：

。

其中，表示第个测点的切向量的J方向分量。

（4）对于两部件的矩形定位点平行的情况（即图2中工位一中P2和P4平行，这样零部件即使存在X方向上的形状变化，也还是能装配上后续工位上），将新增部件测点全部记为0并记入原失效模式组成多工位平动失效模式：

其余情况平动的失效模式显著改变部件的几何特征，应用零部件的失效诊断方法进行诊断。

（5）单工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算。当部件在失效自由度下旋转时，定义旋转失效模式为各个测点在逆时针移动的方向乘以各测点距离旋转中心的距离，失效模式为：

其中，为测点（i=1,2,…,n）到其旋转中心的距离，(i=1,2,…,n;j=x,y,z)为测点在J方向的数值。

失效模式的计算方法如下：将部件先逆时针旋转单位角度，根据测点的坐标和旋转中心的坐标计算各个测点的新坐标记为，之后，将部件向相反方向移动单位角度得到的新的坐标向量为，则失效模式为，如图1，若P₂失效，则分别向正向和负向转动相同的角度，分别计算两次旋转后各测点的坐标，两者相减后得到失效模式为。

（6）工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算。如图2所示的多工位装配过程，对于第一次旋转单位角度后，可以根据原P₄定位点坐标（虚线），旋转后P₄定位点坐标和装配旋转中心P₁的坐标，三点计算出装配旋转角β（见图2），利用β和旋转中心P₁的坐标，可以计算出各个测点绕旋转中心P₁旋转β度后的新坐标，其组成的列向量记为，对于反向旋转的坐标同样计算，就是经过多工位偏差传递后的失效模式。

（7）将所有得到的模式进行单位化处理。

步骤二 ：利用矩阵空间的特点，分别根据各个失效模式，定义相应的模式补空间，实现检测数据在模式空间上的投影。任意一组正交的满秩方阵都可以将检测数据重新投影到新的空间。如对于检测数据组成的矩阵Y，都可以投影到满秩矩阵D构成的新向量空间，投影后得到新的评分矩阵W,即

由于,上述方程可以改写为

进而，该矩阵可以分解为

因此，对于得到的各个失效模式，根据施密特正交化方法，必然存在补空间Bi，使得[d_i, B_i]是满秩的正交矩阵，这样，检测数据可以投影到各个失效模式上。

基于该正交矩阵，每台车的数据经过投影后可以针对的每个失效源得到一个评分值，经过若干台车后，每个失效源可以得到一系列的评分值，将其作为结果输出到步骤三。

步骤三 ：对得到的新的评分矩阵，利用多源数理统计的方法可以实现多工位夹具失效诊断，每一台车的测点数据投影到每个偏差空间上都会出现一个新的评分值，通过建立控制限的方法对每个偏差源进行在线实时的诊断。计算第i台车的移动极差R_i：

对于得到的移动极差，分别针对各个偏差源制作移动极差控制图，分别计算控制图的上下限，控制线计算方法如下：

•UCL_MR＝D₄R MR极差上限

•LCL_MR＝D₃R MR极差下限

其中，D₃和D₄为常数。

步骤四： 若零件的超差引起总成数据异常时，两个的问题测点的运动方式必然存在相关性，但由于关键产品特征在多工位间不同（分）总成上的检测频次差异，导致工位间检测数据无法直接进行相关性分析计算。因此，本发明提出利用不同工位间检测数据计算包含了全部偏差信息的协方差矩阵，并对协方差矩阵进行模式提取，通过相关性分析的方法实现零件超差的诊断。

所述步骤四的具体步骤为：

1.对零部件在总成上对应的测点进行匹配，保证两个的数据均源自于相同的测点，设零部件上测点集合为，其与总成上对应的测点集合为。

2.失效模式为各个测点的运动方向和距离旋转中心的模的乘积，为了基于检测数据获得该失效模式，需计算检测数据的协方差矩阵，设为车身p 维检测数据，计算其协方差矩阵C。

3.从协方差矩阵出发获得协方差的特征向量，即获得符合几何意义的失效模式，可以依据下式提取偏差模式向量，代表方向包含的偏差信息的多少。

4.设定的偏差模式第一主特征向量的阈值，若零件的第一主特征向量的贡献度小于阈值，则说明该零部件不存在明显的偏差模式，即认为该零部件不存在超差。

5.对于大于阈值的特征向量进行相关性分析相关性的大小采用相关性系数来表征：

式(3)中，a _i 为零部件的第个主特征向量，为装配体上的第个主特征向量，为测点数目，k 为第k 个测点。

6.依据相关性的高低来检测零部件偏差对总成偏差影响的贡献度，实现零部件偏差源的诊断。

车身产品主要采用分布式测量的方法进行质量控制，在车身的总成以及重要的分总成布置测点，为说明诊断方法的有效性，本发明利用图3所示的三个薄板冲压零件的装配案例实现平面内偏差源的诊断：

Part1和Part2在工位1焊接，定位点分别为P₁和P₂，P₃和P₄；之后其组成的零件在工位2与part3焊接在一起，定位点分别是P₁和P₄，P₅和P₆。采用分布式测点方案，在工位2布置MP1~7，共7个测点，对总成件进行在线监测，另外，将Part2定位关键部件，在MP1~3相对应的位置布置M1~3，共3个测点，对其进行抽检。

为了获得P₄的失效模式，如图2所示，令Part2绕P₃逆时针旋转α度，Part2上测点会出现运动，利用各个测点中心与P₃中心的坐标值，计算各个测点（标记（1）的测点）旋转α度之后新的坐标，即得到，利用P₄中心点，转动α度后P₄的中心点和P₁中心点的坐标计算出装配站2需要旋转的角度，此时，位于Part1上的两个测点也会出现运动，再次利用测点中心店坐标和旋转中心的坐标，计算各异常测点（标记（2）的测点）顺时针旋转β度之后的坐标，记为，同样的方法获得和，则即是P₄的失效模式，同样的方法得到其余旋转失效的失效模式。

对于平动的情况，P₁的X方向失效影响了MP₄和MP₅，P₅的X方向失效影响了MP₆和MP₇，P₃的X方向失效影响了MP_1-3，分别向右移动单位距离后，所有的失效模式如表1。

表1失效模式表

对于模式P_1（Z），设其补空间为B₁（不用计算），则其对应的模式空间为，相应的，其余各个失效模式都可以得到相应的失效空间，本例中，为了模拟多工位失效诊断的情况，对P₄失效的情况模拟100组数据，前90台P₄未失效，最后10台P₄失效，另外对数据添加N（0,0.7）的正态随机数来模拟噪声。

通过图4，5控制图可以看出，当P₄定位点失效时，针对P₄的控制图有明显的失效的趋势，而且，其余模式却影响不大，与模拟结果基本吻合。

另外，对于从零部件加工到总成的过程，假定对Part2存在关键产品特性控制，对Part2进行了10台车的抽检，本例假定其MP₂向左旋转，MP₁向右旋转，对两个失效方向生成10组数据，并添加N（0,2）的正态随机数作为噪声，对于总成数据，仍然假定P_4（Z）失效，生成15组数据，由于失效模式均是事先假定好的，故累计贡献率较高，均提取第一特征主向量即可。

表2零件和总成测点数据提取的失效模式

计算两者之间的相关性系数得24.8%,相关度不高，证明虽然Part2零部件存在一定的失效模式，但其不是导致总成出现偏差主要原因，与模拟结果吻合。

Claims (1)

1.一种面向车身多工位装配过程的多偏差源在线诊断系统，其特征在于：该系统包括夹具失效模式空间计算模块，用于实现单工位潜在夹具失效模式的计算和多工位夹具失效模式的计算；多源异类数据处理模块，用于实现检测数据在模式空间上的投影与计算；多工位下偏差源的识别与诊断模块，用于多工位下偏差源的在线诊断；其中，

采用夹具失效模式空间计算模块，提取装配过程中测点和夹具定位点的坐标，实现单工位潜在夹具失效模式的计算，并利用装配工艺信息，计算各测点在装配后的坐标位置变化，实现多工位失效模式的计算，具体步骤是：

(1)失效模式分类：依据部件定位失效后的移动方式，将失效模式分为平动和转动两类；

(2)偏差模式方向的定义：当潜在平动失效发生后，指定所有测点向右侧移动为正；当潜在旋转失效发生后，各个测点逆时针移动的方向为正；

(3)单工位零件平动条件下夹具失效模式的定义：设失效的部件正向移动的切向量为[Tx,Ty,Tz]，则该工位下的夹具失效模式为：

其中，MP_iTj表示第MP_i个测点的切向量的j方向分量，i＝1，2，---，n，j＝x，y，z；

(4)对于两部件的矩形定位点平行的情况，将新增部件测点全部记为0并记入原失效模式组成多工位平动失效模式：

其余情况平动的失效模式显著改变部件的几何特征，应用零部件的失效诊断方法进行诊断；

(5)单工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算：当部件在失效自由度下旋转时，定义旋转失效模式为各个测点在逆时针移动的方向乘以各测点距离旋转中心的距离，失效模式为：

其中，d_i为测点MP_i到其旋转中心的距离，i＝1,2,…,n；MP_ij为测点MP_i在j方向的数值，i＝1,2,…,n，j＝x,y,z；失效模式的计算方法如下：将部件先逆时针旋转单位角度，根据测点的坐标和旋转中心的坐标计算各个测点的新坐标记为之后，将部件向相反方向移动单位角度得到的新的坐标向量为则失效模式为若定位点P2失效，则分别向正向和负向转动相同的角度，分别计算两次旋转后各测点的坐标，两者相减后得到失效模式为

(6)多工位零件旋转条件下夹具失效模式的计算：多工位装配过程，对于第一次旋转单位角度后，可以根据原定位点P4坐标，旋转后定位点P4坐标和装配旋转中心P1的坐标，三点计算出装配旋转角β，利用β和旋转中心P1的坐标，可以计算出各个测点绕旋转中心P1旋转β度后的新坐标，其组成的列向量记为对于反向旋转的坐标同样计算 就是经过多工位偏差传递后的失效模式；

(7)将所有得到的模式进行单位化处理；

采用多源异类数据处理模块，利用向量正交化方法获得包含偏差模式及其补空间的偏差空间，利用不同工位间检测数据计算进行模式提取，实现多工位的夹具偏差源的实时诊断；

采用多工位下偏差源的识别与诊断模块，利用多源数理统计的方法，通过数据的协方差矩阵提取数据失效模式，进而进行模式的相关性分析实现零部件超差的诊断。