非接觸光學(xué)系統(tǒng)在汽車分總成測量中的應(yīng)用

文/劉維·?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司

非接觸光學(xué)系統(tǒng)在汽車分總成測量中的應(yīng)用

文/劉維·海克斯康測量技術(shù)(青島)有限公司

汽車車門、前蓋、后蓋及側(cè)圍等分總成在汽車制造過程中需要進(jìn)行高精度測量。傳統(tǒng)的檢測方法無法滿足車間現(xiàn)場、大批量的快速檢測。本文給出了一種車間型、高效的非接觸光學(xué)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車車門及前后蓋的快速、高精度在線測量，為汽車質(zhì)量控制提供了完美的非接觸三維測量解決方案。

對(duì)于現(xiàn)代化的汽車制造業(yè)來說，高效率的測量設(shè)備在確保汽車質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。汽車車門、前蓋、后蓋及側(cè)圍等分總成在制造過程中需要進(jìn)行高精度測量。傳統(tǒng)的檢測方法有檢具檢測、三坐標(biāo)檢測等。但是以上方法都存在一定的缺陷，如傳統(tǒng)的檢具一般只針對(duì)一項(xiàng)參數(shù)檢驗(yàn)，多為手工操作，工作效率不高；而三坐標(biāo)檢測雖然精度高，但需要良好的溫度環(huán)境控制，而且柔性較差，無法滿足車間型的、大批量的快速檢測。本文針對(duì)這種情況，介紹一套運(yùn)用先進(jìn)的非接觸測量技術(shù)的三維光學(xué)數(shù)碼測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有百分之一秒的圖像采集速度，不受光線、溫度及振動(dòng)等因素的影響，可以在車間等惡劣環(huán)境中工作，能夠快速測量工件尺寸，準(zhǔn)確提供零件全表面、邊界、孔、表面點(diǎn)及截面線等特征的測量數(shù)據(jù)。

先進(jìn)的光學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)合以功能完善的測量軟件能夠有效保證測量任務(wù)的順利完成，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)坐標(biāo)程序、測量程序和報(bào)告系統(tǒng)的有序管理。報(bào)告系統(tǒng)為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及特征尺寸評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能能夠有效監(jiān)控生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，保證汽車生產(chǎn)質(zhì)量。

光學(xué)測量原理

光學(xué)測量系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)光、非接觸測量。結(jié)構(gòu)光是基于光學(xué)的三角法測量原理，通過光源將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射到物體的表面，在表面形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的光學(xué)三維圖像，該三維圖像通過三組相機(jī)拍攝獲得物體二維的畸變圖像。系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息，利用三維重構(gòu)技術(shù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算處理得到物體表面的三維坐標(biāo)信息。整個(gè)系統(tǒng)的投影及拍照原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)光圖像采集原理示意圖

當(dāng)投影光通過帶有編碼的光柵時(shí)，編碼結(jié)構(gòu)的投影在物體表面上發(fā)生了變形，三組相機(jī)以特定的角度同時(shí)拍攝被測物體表面，從而每個(gè)相機(jī)從不同的方向上獲得物體的二維圖像信息，根據(jù)光學(xué)三角測量原理，利用圖像處理技術(shù)重構(gòu)被測物體的三維圖像信息。

測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)采用多項(xiàng)最新技術(shù)，高分辨率數(shù)字相機(jī)、LED照明技術(shù)、碳纖維結(jié)構(gòu)外殼以及快速的數(shù)據(jù)采集和處理，能夠克服苛刻的生產(chǎn)環(huán)境條件，如振動(dòng)、溫度和環(huán)境光的變化，并且適用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人。不論被測物體的大小、復(fù)雜性和幾何特征如何，通過此套測量系統(tǒng)均能得到豐富的尺寸信息。

系統(tǒng)精度高、重復(fù)性好，自動(dòng)測量以工業(yè)機(jī)器人為依托，集成了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)軌，具有測量速度快、柔性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以同時(shí)滿足多種車型的測量需求。實(shí)現(xiàn)工件的全尺寸測量，既可以對(duì)單個(gè)工件進(jìn)行質(zhì)量控制，也可以對(duì)批量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

自動(dòng)測量系統(tǒng)包含光學(xué)測量系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)軌、PLC安全控制系統(tǒng)、光幕、柔性測量支架、圍欄。轉(zhuǎn)臺(tái)分別用于多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板及側(cè)圍等工件的測量，實(shí)現(xiàn)了“換取工件不占用測量時(shí)間，機(jī)器持續(xù)工作”的現(xiàn)代化工作理念，極大提高了測量效率。自動(dòng)測量系統(tǒng)各部件的布局如圖2所示。

整個(gè)光學(xué)測量系統(tǒng)可以在車間現(xiàn)場進(jìn)行安裝及使用，不受振動(dòng)、光線變化及溫度的影響，能夠快速獲取被測工件表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成測量數(shù)據(jù)與CAD模型的對(duì)比。機(jī)器人作為執(zhí)行測量的載體，重復(fù)定位精度高、運(yùn)動(dòng)速度快，能夠快速完成測量工作，而且其柔性好，可以根據(jù)不同的車型編制不同的程序，滿足測量需求。轉(zhuǎn)臺(tái)攜帶柔性的測量支架，在機(jī)器人測量的同時(shí)，操作人員可以準(zhǔn)備下一次的測量任務(wù)。測量支架設(shè)計(jì)滿足不同車型同類零件的支撐，無需更換專用的測量支架，這進(jìn)一步提高了測量效率，同時(shí)減少了操作人員的工作強(qiáng)度。

圖2 自動(dòng)測量系統(tǒng)布局圖

測量方案

為了保證測量效率，利用多工位多轉(zhuǎn)臺(tái)測量方案，可以分別進(jìn)行多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板、側(cè)圍等分總成的測量。圖3為多工位系統(tǒng)仿真布局圖。

多工位測量系統(tǒng)使用的轉(zhuǎn)臺(tái)可以進(jìn)行360。旋轉(zhuǎn)，方便測頭從不同角度進(jìn)行測量。每一個(gè)工位上使用一套通用夾具，滿足不同零件的測量要求，當(dāng)一個(gè)工位在進(jìn)行測量時(shí)，其他工位可以進(jìn)行上下料操作?？紤]到安全保護(hù)，當(dāng)操作人員進(jìn)入正在測量的工位時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)停止；當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入操作人員正在工作的工位，機(jī)器人同樣要立即停止動(dòng)作。機(jī)器人補(bǔ)償校驗(yàn)系統(tǒng)用于光學(xué)測頭校驗(yàn)和機(jī)器人溫度補(bǔ)償，保證測量系統(tǒng)的精度。

圖3 多工位系統(tǒng)仿真布局圖

測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件表面的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)表面測量數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生色差圖。系統(tǒng)能夠?qū)A孔、槽、方孔、法蘭孔、圓柱和球等特征，利用多角度定位拍攝技術(shù)，精確測量孔位及實(shí)體的位置和尺寸，并且能夠?qū)Ρ砻纥c(diǎn)、包邊點(diǎn)、切邊點(diǎn)及單點(diǎn)測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件關(guān)鍵點(diǎn)的控制，快速分析測量階差和縫隙，清晰明了地反映實(shí)際工件與數(shù)模的差距，保證零件生產(chǎn)質(zhì)量。圖4顯示了車門尺寸及色差分析圖。

圖4 車門色差分析圖

安全保護(hù)

由于機(jī)器人移動(dòng)速度快，操作安全是重中之重。系統(tǒng)使用PLC、安全繼電器、光柵、安全門作為硬件保護(hù)，Devicenet作為現(xiàn)場通信總線組成安全控制系統(tǒng)，通過硬件和軟件兩個(gè)方面完成安全保護(hù)。

硬件方面：采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人安全系統(tǒng)，通過PLC控制，使用安全繼電器直接控制機(jī)器人的安全回路。另外，還有轉(zhuǎn)臺(tái)保護(hù)裝置，安全門的開關(guān)與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臺(tái)串聯(lián)保護(hù)，通過光幕隔開機(jī)器人工作區(qū)域，更好地保護(hù)操作人員的安全。

軟件方面：通過機(jī)器人編程，定義機(jī)器人的每條運(yùn)動(dòng)指令時(shí)只定義當(dāng)前使用的軸組，使三個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)中與當(dāng)前任務(wù)不相關(guān)的軸從軟件中被去除，從而在軟件上進(jìn)一步對(duì)操作安全進(jìn)行保護(hù)。

安全保護(hù)邏輯：當(dāng)機(jī)器人測量過程中接觸到啟動(dòng)的光幕或機(jī)器人維修安全門打開，機(jī)器人會(huì)馬上停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)操作人員更換測量工件時(shí)，一旦打開安全門，光幕與轉(zhuǎn)臺(tái)鎖定保護(hù)啟動(dòng)，如果轉(zhuǎn)臺(tái)突然發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，操作人員或者機(jī)器人接觸光幕，機(jī)器人也會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。

安全保護(hù)流程如圖5所示。

圖5 安全保護(hù)流程圖

圖6 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)驗(yàn)證方法

測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證

系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)驗(yàn)證方法，如圖6所示，即測量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)直接對(duì)比：在三坐標(biāo)和機(jī)器人光學(xué)測量系統(tǒng)上，測量同一個(gè)工件上的相同特征（如圓、曲面點(diǎn)和邊界點(diǎn)等）。圖7顯示車門的測量數(shù)據(jù)與理論值偏差在±0.10mm以內(nèi)。

圖7 三坐標(biāo)與測量系統(tǒng)車門測量數(shù)據(jù)對(duì)比報(bào)告

結(jié)束語

機(jī)器人協(xié)同轉(zhuǎn)臺(tái)的非接觸光學(xué)測量系統(tǒng)具有“一鍵”測量操作功能，簡化的操作界面，實(shí)現(xiàn)了“傻瓜式”測量操作，并且系統(tǒng)能夠自動(dòng)校驗(yàn)測頭，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

功能強(qiáng)大的測量軟件有效地保證了測量任務(wù)的順利完成，為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及單點(diǎn)特征測量數(shù)據(jù)；強(qiáng)大的SPC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，有效地保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車生產(chǎn)過程的控制；獨(dú)特的、面向?qū)ο蟮臏y量數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了測量數(shù)據(jù)的可靠性、真實(shí)性和有效性。

該測量系統(tǒng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)與車間現(xiàn)場的融合，快速提供測量反饋，為客戶提供零件的全面質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，并大大降低設(shè)備的投入及時(shí)間成本，從而為高品質(zhì)汽車生產(chǎn)與質(zhì)量控制提供了又一先進(jìn)、實(shí)用的測量解決方案，因此，將被廣泛應(yīng)用于車間現(xiàn)場的在線質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域。

劉維，工程師，主要研究方向：非接觸光學(xué)測量，主要技術(shù)成果：規(guī)劃并實(shí)施了上海大眾首套機(jī)器人白光在線光學(xué)測量系統(tǒng)。