汽車涂裝線車身定位視覺檢測系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

蔡昕

（北京現(xiàn)代汽車有限公司）

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展和競爭加劇，汽車企業(yè)越來越重視工廠生產(chǎn)效率的提升[1-8]，視覺系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)及質(zhì)量控制領(lǐng)域的大量應(yīng)用，使其成為提升涂裝工廠生產(chǎn)效率的重要手段[9-10]。文章介紹了在高鏈速汽車涂裝生產(chǎn)線上，利用視覺方法檢測車身的定位情況，通過計算車身與掛具基準(zhǔn)點間的定位誤差，在車身進(jìn)入生產(chǎn)線前及時發(fā)現(xiàn)定位異常車輛，防止因定位異常導(dǎo)致涂裝過程中白車身脫離掛具從而引起故障及報廢車產(chǎn)生。通過反復(fù)驗證，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計綱領(lǐng)要求，對保證前處理-電泳生產(chǎn)線的高速正常運行具有重要意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

文章以一座年產(chǎn)能45萬輛的涂裝工廠的涂裝生產(chǎn)線為例，圖1示出該汽車涂裝生產(chǎn)線前處理工段入口局部示意圖。該前處理-電泳生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為102輛/h，鏈速為0.16 m/s，前處理工段總共有7個噴淋工段和7個浸漬工段，全長298 m；電泳工段總共有5個噴淋工段和3個浸漬工段，全長194 m。如圖1所示，在車身進(jìn)入前處理-電泳線入口前，需將車身從滑橇轉(zhuǎn)換到掛具上并用防脫鉤鎖緊，在氣缸鎖緊的2個工位安裝車身定位視覺檢測系統(tǒng)，利用工業(yè)相機(jī)檢測車身與掛具基準(zhǔn)點的相位偏差，與設(shè)定的誤差允許范圍進(jìn)行對比，通過對比結(jié)果判斷定位是否準(zhǔn)確，若相位偏差超出誤差允許范圍則發(fā)出報警信號。

圖1 某汽車涂裝生產(chǎn)線前處理工段入口局部示意圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖2示出車身定位視覺檢測系統(tǒng)整體構(gòu)成圖。視覺檢測部分由9個相機(jī)組成，型號均為Cognex CAMCIC2000 60G，每個相機(jī)配置1個輔助光源，其中1個相機(jī)用于拍攝掛具號；8個相機(jī)拍攝白車身在掛具上的定位位置，設(shè)定允許的定位誤差范圍為±20 mm（距離）和±10°（角度）。掛具號信息和白車身定位圖像與生產(chǎn)信息系統(tǒng)傳輸?shù)能嚿硇畔⒐餐４妗?個相機(jī)均為以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與視覺檢測系統(tǒng)控制柜相連，控制柜通過車輛追蹤系統(tǒng)接收車輛信息。當(dāng)操作箱發(fā)出車輛占位信號后視覺檢測系統(tǒng)開始工作，進(jìn)行圖像拍攝處理并計算車身在掛具上的定位狀態(tài)，發(fā)出信號經(jīng)DI/O板卡通過現(xiàn)場總線傳輸至傳輸鏈控制柜PLC中，并通過工廠設(shè)備管理系統(tǒng)向中央控制室報警，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 車身定位視覺檢測系統(tǒng)整體構(gòu)成

1.3 車身定位視覺檢測原理

在拍攝車身定位信息的9個相機(jī)中，4個相機(jī)（①②③④）用于拍攝掛具與車身接觸的4個定位板的相對位置；2個相機(jī)（⑤⑥）用于拍攝掛具前端2個防漂浮鎖緊裝置鉤在前地板上的狀態(tài)；2個相機(jī)（⑦⑧）用于拍攝掛具后端3個防漂浮掛具鎖緊鉤子在后地板上的狀態(tài)；還有1個相機(jī)（⑨）用于識別掛具號碼。各相機(jī)拍攝位置分布，如圖3所示。

圖3 車身定位視覺檢測系統(tǒng)各相機(jī)拍攝位置分布圖

圖4示出某車型各定位點視覺檢測及判定事例，通過樣本采集的方式檢測車身定位誤差。

在進(jìn)行圖像處理前，預(yù)先選取車身特定位置（如孔等）作為車身樣本圖像，并選取掛具定位板的特定位置作為特征點；利用全圖掃描樣本匹配的方式檢測出車身和掛具位置，計算2個特征點間的相對位置；將計算結(jié)果與設(shè)定的定位誤差比對，若測量值超過設(shè)定值則認(rèn)為定位異常。經(jīng)測試，最終定義該系統(tǒng)的檢測誤差范圍為±2 mm，角度誤差范圍為±5°。

1.4 報警功能設(shè)計

視覺檢測系統(tǒng)首先通過車輛追蹤控制柜（如圖2所示）獲取生產(chǎn)系統(tǒng)車型信息，并與現(xiàn)場通過光電開關(guān)識別的車型信息進(jìn)行對比，若兩者不一致則系統(tǒng)報警，待維護(hù)人員確認(rèn)車型信息后再進(jìn)行車身定位檢測；若兩者一致則視覺檢測系統(tǒng)啟動，判定車身定位狀態(tài)，若定位異常亦進(jìn)行報警，防止定位不準(zhǔn)的車身進(jìn)入后續(xù)的前處理-電泳線，如圖5所示。

圖5 車身定位視覺檢測系統(tǒng)報警功能

具體實施方式為：當(dāng)載有白車身的掛具進(jìn)入車身定位檢測工位時，輸送鏈停止器觸發(fā)，掛具抱緊，輸送鏈給出占位信號，光源接收信號并點亮，車輛追蹤PLC控制柜將車型信息發(fā)送給系統(tǒng)，延時1.5 s后光電管將識別車型信息發(fā)送給系統(tǒng)并進(jìn)行車型數(shù)據(jù)對比，延時5 s后視覺檢測系統(tǒng)啟動拍照，系統(tǒng)將拍攝的掛具定位點與車身上特征點進(jìn)行算法測量并與樣本做比較，如果比較結(jié)果一致，發(fā)送OK信號給PLC，掛具抱緊裝置打開，車輛通過；反之則發(fā)送NG信號，掛具抱緊裝置不打開，系統(tǒng)報警，直到人為調(diào)整車身在掛具上位置與特征點的測量值滿足標(biāo)準(zhǔn)后再執(zhí)行車輛放行動作；每次檢測執(zhí)行過程完成后視覺檢測系統(tǒng)復(fù)位，光源熄滅，等待下一輛車身到達(dá)時的啟動信號。掛具前進(jìn)程序的控制原理和停止器控制程序，分別如圖6和圖7所示。

圖6 車身定位視覺檢測系統(tǒng)掛具前進(jìn)程序控制原理

圖7 車身定位視覺檢測系統(tǒng)停止器控制程序

1.5 軟件界面及功能

車身定位視覺檢測系統(tǒng)軟件界面包括的各界面功能如下：

1）主界面主要包含生產(chǎn)系統(tǒng)中當(dāng)前車輛數(shù)據(jù)信息、8套相機(jī)捕捉車輛在掛具上放置位置的圖片，以及按照算法對車輛位置狀態(tài)的判定結(jié)果。

2）功能導(dǎo)航界面包含用戶管理、用戶登錄、修改履歷、報警履歷、檢索履歷、PLC I/O設(shè)置、車型設(shè)置、誤差范圍限值設(shè)定、光源參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)編輯等功能。

3）用戶管理界面包含權(quán)限設(shè)置功能，分為3個等級權(quán)限：1級用戶僅有用戶登錄、用戶退出、報警履歷查詢等功能的權(quán)限；2級用戶除包括1級用戶的使用權(quán)限外，還包括修改履歷查詢、檢索履歷查詢、PLC I/O設(shè)置、車型設(shè)置、上/下限設(shè)定、光源設(shè)定及數(shù)據(jù)刪除等功能的操作權(quán)限；3級權(quán)限用戶能操作視覺檢測系統(tǒng)的所有功能。

4）用戶登錄界面是針對不同權(quán)限級別的用戶輸入工號和相應(yīng)口令實施登陸的窗口。

5）修改履歷界面包含2級用戶及3級用戶對視覺檢測系統(tǒng)各種參數(shù)修改痕跡的記錄。

6）報警履歷界面包含視覺檢測系統(tǒng)每日判定NG的詳細(xì)內(nèi)容。

7）檢索履歷界面包含根據(jù)時間、掛具號、判定OK/NG等情況查詢每輛車通過時狀態(tài)的功能。

8）PLC I/O設(shè)置界面記錄了視覺檢測系統(tǒng)判定時信號傳遞的詳細(xì)過程。

9）車型設(shè)置界面包含對各個車型進(jìn)行編號定義、拍攝位置及拍攝點數(shù)量的定義以及為添加新車型數(shù)據(jù)預(yù)留定義窗口。

10）誤差范圍限值設(shè)定界面包含各個拍攝點上/下限值的參數(shù)設(shè)定，掛具鎖角度誤差范圍為±10°，定位板距離誤差范圍為±20 mm。

11）光源參數(shù)設(shè)置界面包含對各個點位光源的亮度及曝光度等參數(shù)的設(shè)定。

12）數(shù)據(jù)編輯界面包含每輛車身判定結(jié)果保存周期及刪除時間的設(shè)定。

2 工程應(yīng)用

將研制的車身定位視覺檢測系統(tǒng)應(yīng)用于涂裝生產(chǎn)現(xiàn)場。該涂裝車間全年生產(chǎn)時間是315 710 min，年均因車身定位不準(zhǔn)而發(fā)生故障時間為452 min，產(chǎn)生報廢車5輛。該檢測系統(tǒng)自使用以來，前處理/電泳工段至今未發(fā)生因車身定位不準(zhǔn)而導(dǎo)致的停線故障及報廢車產(chǎn)生，有效確保了涂裝車間運轉(zhuǎn)率95.5%運營目標(biāo)的達(dá)成，并實現(xiàn)成本節(jié)約477 648元/年。

3 結(jié)論

文章研制了一種車身定位視覺檢測系統(tǒng)，并應(yīng)用于涂裝車間前處理-電泳線入口處。系統(tǒng)采用9個相機(jī)拍攝車身定位信息和掛具信息，實現(xiàn)了車身與掛具基準(zhǔn)點相對位置誤差的在線檢測，并可對定位異常情況進(jìn)行及時報警；系統(tǒng)采用樣本匹配的方法獲取車身定位信息，距離檢測精度為±2 mm，角度檢測精度為±5°。所研制的視覺檢測系統(tǒng)取得了良好的工程應(yīng)用效果，對提高涂裝生產(chǎn)線效率和節(jié)約成本等具有重要意義。