視覺引導(dǎo)技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用實(shí)例

盧小豪 劉德志 吳耿雄 張科

摘 要：隨著圖像傳感器、光場(chǎng)條件、圖像處理技術(shù)、計(jì)算能力等重要技術(shù)的發(fā)展，視覺引導(dǎo)技術(shù)在近幾年得到了跨越式的發(fā)展，逐漸應(yīng)用在裝備制造、精密加工、汽車制造等行業(yè)。文章介紹視覺引導(dǎo)技術(shù)在汽車制造行業(yè)的總裝車間應(yīng)用案例，說明視覺引導(dǎo)的實(shí)用技術(shù)方案和原理，并根據(jù)使用現(xiàn)狀預(yù)測(cè)未來視覺引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：視覺引導(dǎo)技術(shù);汽車制造;總裝車間;應(yīng)用實(shí)踐

中圖分類號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-232-04

Application of visual guidance technology in automobile manufacturing

Lu Xiaohao，?Liu Dezhi，?Wu Gengxiong，?Zhang Ke

（?GAC Honda Automobile Co.， Ltd，?Guangdong Guangzhou 510700?）

Abstract：?With the development of important technologies such as image sensors， light field conditions， image processing technology， computing power and so on， vision guidance technology has developed by leaps and bounds in recent years and has been gradually applied in equipment manufacturing， precision machining， automobile manufacturing and other industries. This paper illustrates the practical technical scheme and principle of vision guidance with an example of its applications in the assembly workshop of the automobile manufacturing industry， and predicts the development directions of vision guidance technology in the future according to the application status.

Keywords：?Visual guidance technology;?Automobile manufacturing;?General assembly workshop;?Application practice

CLC NO.：?U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-232-04

前言

汽車制造包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大車間，其中尤其以總裝車間工程最為繁雜，需求人數(shù)多，這是由總裝車間的作業(yè)特點(diǎn)決定的?？傃b工藝具有典型的裝配內(nèi)容柔性大，變化大的特點(diǎn)，但裝配基準(zhǔn)要求精密、準(zhǔn)確，裝配手段復(fù)雜，因此總裝車間的自動(dòng)化水平受到天然限制低于其他車間^[1]。

近年來，視覺引導(dǎo)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不斷克服了圖像取樣不清晰、圖像處理速度慢、光源干擾大等客觀困難^[2]，已經(jīng)成為自動(dòng)化設(shè)備的“慧眼”，能夠準(zhǔn)確的引導(dǎo)機(jī)器人完成一系列精細(xì)操作，能夠適應(yīng)汽車制造中總裝車間的生產(chǎn)特點(diǎn)。視覺技術(shù)在中國制造2025背景下大有可為，其中在具有代表性的汽車制造領(lǐng)域，自動(dòng)化程度逐年上升的總裝車間里視覺引導(dǎo)技術(shù)的身影也逐漸多了起來。

1?視覺引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

視覺引導(dǎo)技術(shù)通俗的表達(dá)就是給工業(yè)機(jī)器人裝上眼睛，可以為機(jī)器人提供各類視覺信息，指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)動(dòng)作，完成一系列復(fù)雜精密的工程作業(yè)。其中視覺相機(jī)就是眼睛^[3]，可以獲取圖像信息，圖像處理器相當(dāng)于大腦，處理圖像并提取需求的信息，最終傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使工業(yè)機(jī)器人更智能的完成各種作業(yè)。視覺引導(dǎo)技術(shù)主要依賴它的三種重要組成部分，分別是光場(chǎng)設(shè)計(jì)、視覺相機(jī)和圖像處理。在20世紀(jì)50年代就有人提出視覺技術(shù)的概念，但直到70年代出現(xiàn)CCD圖像傳感器，視覺引導(dǎo)技術(shù)才開始真正的發(fā)展^[4]，80年代的圖像處理技術(shù)獲得突破，視覺技術(shù)開始快速發(fā)展^[5]，直到2000年出現(xiàn)LED任意光場(chǎng)設(shè)計(jì)^[6]，視覺引導(dǎo)技術(shù)才真正具有實(shí)用意義，如今視覺相機(jī)像素高達(dá)千萬，圖像處理速度以億級(jí)運(yùn)算，光源設(shè)計(jì)更加精細(xì)智能，視覺技術(shù)真正進(jìn)入了智能應(yīng)用階段^[7]。

2?視覺引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

汽車制造中的總裝車間涉及到大量的裝配作業(yè)，裝配作業(yè)常常需要按照既定的安裝基準(zhǔn)進(jìn)行，例如輪胎的安裝、前后擋風(fēng)玻璃的安裝等，富有經(jīng)驗(yàn)的操作工能夠輕松熟練的按照基準(zhǔn)裝配，而如果交由按照示教軌跡運(yùn)行的機(jī)器人完成，車身輕微的位置變化都會(huì)產(chǎn)生較大的安裝偏差，機(jī)器人并不會(huì)意識(shí)到偏差存在而只能按照示教軌跡安裝，最終只會(huì)導(dǎo)致安裝不良的發(fā)生^[8]。

以某汽車主機(jī)廠總裝車間為例，借助視覺引導(dǎo)技術(shù)是給機(jī)器人裝上眼睛，引導(dǎo)機(jī)器人完成一系列復(fù)雜精準(zhǔn)的動(dòng)作，使機(jī)器人不再拘泥于固定的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是可以根據(jù)實(shí)際情況的變化，不斷調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)需要的功能。

2.1 輪胎自動(dòng)化安裝

利用視覺引導(dǎo)技術(shù)完成輪胎的自動(dòng)化安裝，最大的難點(diǎn)就是精準(zhǔn)確定輪胎孔位和輪盤螺栓的位置，視覺定位的偏差不能超過2mm，否則彈性套筒無法吸收偏差。

汽車制造中輪胎的自動(dòng)化安裝步驟包括：

其中輪胎孔位的定位和輪盤螺栓的定位均使用到視覺引導(dǎo)技術(shù)，首先對(duì)來件位置不固定的輪胎進(jìn)行拍照，經(jīng)過圖像處理后，定位到輪胎的5個(gè)孔位精確位置，并將位置信息傳遞至機(jī)器人，由機(jī)器人執(zhí)行抓取動(dòng)作;再次對(duì)汽車的輪盤視覺拍照，經(jīng)過圖像處理，準(zhǔn)確定位輪盤上5個(gè)螺栓的精確位置，并將信息傳遞至機(jī)器人，由機(jī)器人執(zhí)行輪胎孔位對(duì)準(zhǔn)螺栓，并由擰緊軸自動(dòng)擰緊，完成輪胎安裝。如果沒有視覺引導(dǎo)，那么機(jī)器人就像是沒有眼睛，失去了準(zhǔn)確動(dòng)作的方向^[9]，更無法完成誤差允許只有2mm的精確對(duì)位動(dòng)作。

使用視覺相機(jī)對(duì)輪盤進(jìn)行拍照，拍照時(shí)光場(chǎng)開啟，提供穩(wěn)定光源，雙目相機(jī)對(duì)輪盤拍照，經(jīng)圖像處理軟件對(duì)曝光度、灰度^[10]等處理后，可以準(zhǔn)確的顯示5顆螺柱的形狀，經(jīng)過計(jì)算處理視覺照片的偏差值，提取關(guān)鍵的位置信息，最終將5顆螺柱的位置坐標(biāo)傳輸至機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)而使機(jī)器人根據(jù)定位信息執(zhí)行安裝動(dòng)作。從拍照至開始安裝整個(gè)視覺引導(dǎo)過程不超過3秒，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將視覺拍照的相關(guān)照片與數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便后續(xù)追溯使用。

2.2.2 加強(qiáng)劑涂布視覺引導(dǎo)

汽車的前后擋風(fēng)玻璃安裝前，需要在安裝玻璃的窗框周圍涂布一圈車身加強(qiáng)劑，用以增強(qiáng)與玻璃的粘合效果，車身加強(qiáng)劑的涂布質(zhì)量影響到玻璃粘合的效果，如果涂布的軌跡出現(xiàn)偏差或任何一個(gè)位置出現(xiàn)漏涂、少涂都會(huì)嚴(yán)重影響到最終的車輛品質(zhì)。并且車身放置于吊具上在生產(chǎn)線上流動(dòng)，由于吊具精度存在偏差，車身的位置并不恒定，如何使機(jī)器人對(duì)不同偏差的車身都能涂出同樣完美的軌跡？這就需要利用視覺引導(dǎo)技術(shù)來糾正位置偏差。

加強(qiáng)劑涂布的步驟包括：

視覺引導(dǎo)技術(shù)原理是首先由視覺相機(jī)對(duì)車身前擋進(jìn)行拍照，經(jīng)圖像曝光、灰度處理后，可以準(zhǔn)確的識(shí)別4個(gè)特征點(diǎn)，根據(jù)4個(gè)特征點(diǎn)的綜合位移情況，計(jì)算機(jī)得出偏差值，并將偏差值反饋給涂布機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)偏差值最終形成合適的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成加強(qiáng)劑的涂布，視覺引導(dǎo)的過程用時(shí)約2秒。

2.2.3 前后擋風(fēng)玻璃自動(dòng)安裝

前后擋風(fēng)玻璃的安裝由人工轉(zhuǎn)向自動(dòng)化安裝，就必須將原來由人工判斷玻璃安裝的準(zhǔn)確位置由機(jī)器人完成，玻璃的安裝有著嚴(yán)格的位置要求，以某車型為例，前擋風(fēng)玻璃與前擋立柱的左右間隙不能大于8.9mm，間隙差不能超過1.5mm，車頂段差不能超過2.5mm，若超過間隙，則可能出現(xiàn)漏水的品質(zhì)隱患，屬于品質(zhì)不良，車輛即報(bào)廢。因此使用機(jī)器人自動(dòng)化安裝玻璃則必須精準(zhǔn)的控制玻璃安裝的坐標(biāo)。要想實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝，則需要借助視覺引導(dǎo)技術(shù)。

前后擋風(fēng)玻璃的安裝步驟包括：

利用視覺引導(dǎo)技術(shù)，機(jī)器人安裝的偏差控制出色，經(jīng)200臺(tái)車的測(cè)量，相較于人工安裝間隙差下降至1mm，半小時(shí)強(qiáng)淋（模擬強(qiáng)降雨）測(cè)試，機(jī)器人自動(dòng)安裝的車輛無一漏水，成功率100%。

2.2.4 車門密封膠自動(dòng)涂布

汽車車門的裝配有一道重要工序，就是裝配防水膠紙，防水膠紙可以有效隔絕雨水、潮氣和噪音，防水膠紙是由車門密封膠粘合在車門內(nèi)飾上，而密封膠的涂布不僅對(duì)密封膠涂布的軌跡有要求，還對(duì)出膠量、膠型有要求。密封膠的涂布質(zhì)量關(guān)系著汽車的品質(zhì)，而人工涂膠常常難以控制涂出膠型統(tǒng)一、膠量均勻、軌跡固定的密封膠，因此?采用機(jī)器人自動(dòng)涂膠是一個(gè)更優(yōu)的選擇，但是如何使機(jī)器人在車門吊具存在偏差的情況下每次都可以涂出完美的膠型呢？同樣也是需要使用視覺引導(dǎo)技術(shù)。

車門密封膠自動(dòng)涂布的步驟包括：

利用2只2D視覺鏡頭組成雙目視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行3D定位，每側(cè)由1臺(tái)機(jī)器人攜帶一套視覺系統(tǒng)對(duì)車門涂膠軌跡進(jìn)行精確定位，1臺(tái)機(jī)器人根據(jù)定位結(jié)果進(jìn)行涂膠;

2.2.5?繼電器分揀

總裝車間電裝線裝配項(xiàng)目中有一項(xiàng)繼電器安裝的工程，需要將16個(gè)不同規(guī)格的繼電器元件安裝在繼電器盒中，人工安裝比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且對(duì)于員工的健康有一定損傷，因此利用視覺引導(dǎo)技術(shù)檢測(cè)繼電器元件的規(guī)格，揀選不同安裝位置的繼電器元件，由機(jī)器人抓取繼電器元件完成自動(dòng)組裝。

視覺引導(dǎo)的主要步驟：

以繼電器的顯著特征，如顏色、字碼等作為識(shí)別信息，視覺攝像頭采樣后，圖像處理軟件分析出各個(gè)元件的規(guī)格區(qū)別，最終控制機(jī)械手進(jìn)行分揀。

3 未來總裝車間的可應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 FEM自動(dòng)合裝

前端模塊總成（FRONT END MODLE）包含防撞梁、水箱、風(fēng)扇、冷凝器等零件整體作為總成件，由機(jī)器人抓取FEM總成并安裝在車頭前段。

在FEM的安裝過程中，需要使用視覺引導(dǎo)技術(shù)分別定位FEM零件位置與車頭前段安裝孔的位置，引導(dǎo)機(jī)器人精確定位，執(zhí)行抓取或安裝動(dòng)作。

3.2 座椅自動(dòng)投入

汽車座椅的安裝同樣也可以使用機(jī)器人自動(dòng)投入，但需要注意的是，人工投入座椅時(shí)一般借助輔具，由工人控制座椅與車身的間距，防止碰撞造成刮傷。使用機(jī)器人投入時(shí)，則需要精準(zhǔn)的控制投入軌跡，否則機(jī)器人沒有反饋機(jī)構(gòu)，發(fā)生碰撞時(shí)也不會(huì)收到反饋，但每臺(tái)車的位置并不相同，這時(shí)就需要采用視覺引導(dǎo)技術(shù)，首先對(duì)車身的特征點(diǎn)拍照，得到特征點(diǎn)的位置偏差后，經(jīng)計(jì)算反饋給機(jī)器人，然后由機(jī)器人抓取座椅，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的位置坐標(biāo)，決定投入的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成座椅的安全投入。

4 展望與結(jié)論

視覺引導(dǎo)技術(shù)在汽車制造中應(yīng)用在許多場(chǎng)景中^[11]，并取得不錯(cuò)的效果，說明視覺技術(shù)的發(fā)展方向是充滿潛力的。同時(shí)，隨著視覺技術(shù)的實(shí)踐越來越多，有更多更具體的要求等著視覺技術(shù)達(dá)成。如：

（1）視覺引導(dǎo)技術(shù)需要更加集成化和模塊化，現(xiàn)在使用視覺技術(shù)常常需要單獨(dú)一臺(tái)機(jī)器人完成視覺引導(dǎo)，另一臺(tái)機(jī)器人完執(zhí)行，不僅成本較高也占用空間和時(shí)間成本。

（2）視覺引導(dǎo)技術(shù)需要更快的通訊和計(jì)算速度;現(xiàn)在的視覺拍照處理與傳輸，常常需要3秒左右的時(shí)間，速度還是不夠快，在爭分奪秒的生產(chǎn)線上，節(jié)省一秒就代表節(jié)省巨大的成本，創(chuàng)造巨大的利潤，可以預(yù)想隨著5G和云計(jì)算的發(fā)展，通訊和計(jì)算又將迎來進(jìn)步。

（3）視覺引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)在隨行引導(dǎo)方面取得突破，在非靜止?fàn)顟B(tài)下完成視覺引導(dǎo)需要大量的計(jì)算，需要不斷判斷物體的移動(dòng)狀態(tài)，逐漸在移動(dòng)中完成擬合。

制造業(yè)的未來方向是自動(dòng)化和智能化，成本下降和效率提升是企業(yè)不變的追求，而視覺技術(shù)作為高端制造領(lǐng)域的細(xì)分技術(shù)，必將發(fā)揮更大的能量。眼睛是心靈的窗戶，視覺技術(shù)就是工業(yè)制造的“慧眼”。

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