基于機(jī)器視覺的機(jī)器人智能制造實(shí)踐應(yīng)用研究

王樸

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

智能制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離開不了以下基礎(chǔ)技術(shù)的成熟發(fā)展：1.高度的可靠性、精度、靈敏度和環(huán)境適應(yīng)性等特征的傳感器技術(shù)，用于穩(wěn)定的獲取和處理信號；2.專項(xiàng)的精密制造工藝技術(shù)，比如激光焊、自動(dòng)涂膠、IMPACT 射釘鉚、螺柱焊等先進(jìn)性的車身制造技術(shù)，用于將沖壓件拼接成完整的白車身；3.故障診斷和設(shè)備健康維護(hù)技術(shù)，比如設(shè)備信號的自動(dòng)處理與手動(dòng)控制、標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)錯(cuò)信息列表顯示、預(yù)防性和修正性維護(hù)計(jì)劃控制技術(shù)等，用于維持自動(dòng)化生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行；4.高速高可靠性的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，比如Profinet、ethernet、erthercat 等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備儀器的高效通訊；5.高精度、高靈敏度的在線檢測技術(shù)，比如ISRA、Perceptron、BESTFIT、SME、SMA、Calipri 等，用于檢測工藝質(zhì)量或增強(qiáng)工藝質(zhì)量；6.統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)平臺，比如integra，integra 目前已經(jīng)發(fā)展到了Integra 6，Integra 來自各個(gè)技術(shù)提供商，OEM，最終用戶和系統(tǒng)集成商等的支持，這是各項(xiàng)技術(shù)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對話的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和人為干預(yù)的前提；7.嵌入式技術(shù)是各種專項(xiàng)制造技術(shù)的核心，實(shí)現(xiàn)了特定工作內(nèi)容的自動(dòng)控制，并且在功耗、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性方面優(yōu)點(diǎn)顯著；8.功能驗(yàn)證與仿真技術(shù)，比如Delmia、Catia、UG、Altium Designer、Multisim、Proteus 等，可以實(shí)現(xiàn)軟硬件功能驗(yàn)證與安全測試，以及制造工藝的運(yùn)行仿真；9.生產(chǎn)運(yùn)營監(jiān)控技術(shù)，比如奔馳的iprotal、scalis 平臺，不僅可以實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)運(yùn)營各項(xiàng)指標(biāo)，還能夠定制可以自動(dòng)生成的運(yùn)營報(bào)告。智能制造技術(shù)在一定程度上反映了國家科技綜合水平和企業(yè)的制造水平，由于涉及技術(shù)種類繁多，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上可以通過技術(shù)優(yōu)化手段將各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步改進(jìn)，比如設(shè)備停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)、工藝質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、生產(chǎn)節(jié)拍等。本文以四門兩蓋車身裝配線為例，詳細(xì)分析了機(jī)器視覺智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，并通過技術(shù)分析，重點(diǎn)闡述了如何突破安裝精度設(shè)計(jì)和節(jié)拍提升設(shè)計(jì)這兩大關(guān)鍵點(diǎn)，保證質(zhì)量與產(chǎn)量并行發(fā)展。

1 四門兩蓋車身裝配工藝和技術(shù)介紹

在MRA1 裝焊車間206 項(xiàng)目Z3 線，用于將左右前門、左右后門、機(jī)蓋、翼子板、后備廂裝配到白車身主體上，除少量工位需要人工補(bǔ)充工件物料外，基本上實(shí)現(xiàn)98%的自動(dòng)化率。其主要工藝流程是：識別白車身車型→安裝后備箱→安裝左右后門→安裝左右前門→安裝翼子板→安裝機(jī)蓋。其中安裝工件流程為：白車身進(jìn)入工位1→BESTFIT 檢測尺寸數(shù)據(jù)（間隙、平順度、距離和輪廓）→BESTFIT 計(jì)算出偏移值傳輸給KUKA 機(jī)器人→機(jī)器人抓取工件到車身→機(jī)器人攜帶BOSCH 擰緊工具到達(dá)擰緊位置→擰緊工藝→BSETFIT檢測安裝工件后的尺寸數(shù)據(jù)→機(jī)器人回到HOME 位→白車身進(jìn)入下一工位。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑圖如圖1。

圖1 裝配工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

一般工藝中，四門兩蓋裝配需要裝調(diào)工根據(jù)車身來件的實(shí)際狀態(tài)對X、Y、Z 方向進(jìn)行裝調(diào)，所有調(diào)整到位后按照工藝順序進(jìn)行螺栓固定。這種傳統(tǒng)的裝調(diào)方法可以根據(jù)零件間的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，由于調(diào)整需要時(shí)間，這種工藝并不適合高線速的生產(chǎn)情況。另外，手工調(diào)整人為干擾因素較多，工藝穩(wěn)定性及工藝可控能力較差。正是在這一背景下，也是在傳感器數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析能力大幅提升的前提下，當(dāng)代汽車行業(yè)廣泛使用BESTFIT 技術(shù)：通過機(jī)器人攜帶多種傳感器對白車身測量，擬合計(jì)算出基于每輛車的最佳安裝位置度和姿態(tài)，匹配完成四門兩蓋的安裝。

2 機(jī)器視覺核心技術(shù)——BESTFIT 在線檢測技術(shù)

2.1 BESTFIT 系統(tǒng)工作原理

BESTFIT 在線檢測是整個(gè)裝配工藝的核心，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的重要技術(shù)方式，影響到車身覆蓋件裝配到車身主體是否完全匹配。 BESTFIT 在線檢測有三種傳感器：線掃描激光傳感器、點(diǎn)傳感器和照相機(jī)，其測量原理為：

（1）線掃描激光傳感器：其光源為線光源，用于測量整條線上的一些特征信息。通常平面上沿著線激光的方向叫作X軸，垂直于線激光方向叫做Y 軸，而垂直于傳感器鏡頭方向叫做Z 軸，Z 軸一般反饋的是高度信息。傳感器掃出一條線打到一個(gè)平面上，沿著線方向的信息，比如邊緣、寬度、間隙這些X 軸方向的值傳感器可以測出來，如果檢測到某個(gè)位置高度發(fā)生了突變，且變化范圍超過某個(gè)值，可以判斷你檢測到的是個(gè)邊緣，同樣如果測到兩個(gè)邊緣，那這兩個(gè)邊緣之間的距離就是寬度值信息。另外，X 軸方向的精度是由傳感器一條線上所包含的測量點(diǎn)數(shù)量決定的，測量點(diǎn)越多，傳感器X 軸方向的精度就越高。如果應(yīng)用于檢測車門2D 平面，可以檢測出間隙和平順度，單頭傳感器精確度0.5mm，雙頭傳感器精確度0.01mm。

（2）點(diǎn)傳感器：工作時(shí)，先由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種p-n 結(jié)型的光檢測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。其基本結(jié)構(gòu)常常采用容易產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的Read 二極管結(jié)構(gòu)（即N+PIP+型結(jié)構(gòu)，P+一面接收光），工作時(shí)加較大的反向偏壓，使得其達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)；它的光吸收區(qū)與倍增區(qū)基本一致（是存在有高電場的P 區(qū)和I 區(qū)），因此它能檢測極其微弱的光信號，記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬?。點(diǎn)傳感器應(yīng)用于檢測距離數(shù)據(jù)，精確度為0.01mm。

（3）照相機(jī)：采用IDS 的CMOS 工業(yè)照相機(jī)，將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)，該相機(jī)良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)適合在高分辨率和高線速場合的四門兩蓋車身生產(chǎn)。工業(yè)相機(jī)光敏因子精度0.02mm,應(yīng)用于識別車身2D 平面定位孔位置，從而識別出偏差。

通過多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固定測點(diǎn)批量測量關(guān)鍵車身尺寸數(shù)據(jù)，融合成3D 立體數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)尺寸數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲取空間數(shù)據(jù)偏差，并通過算法計(jì)算與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使得機(jī)器人到達(dá)適合目標(biāo)車身的理想工藝位置，實(shí)現(xiàn)車身連接工藝，即BESTFIT 的中文直譯——最佳匹配，比如可實(shí)現(xiàn)對擰緊工藝位置和擰緊深度位置的精確計(jì)算。在擰緊工藝結(jié)束后再次測量，如果10 次測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差超過公差會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這是質(zhì)量保證的重要一環(huán)。

2.2 BESTFIT 數(shù)據(jù)安裝精度技術(shù)設(shè)計(jì)

為了避免安裝精度的數(shù)據(jù)失真，提高擬合值的受信程度，須進(jìn)行相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)：1.MASTERCA 標(biāo)定和機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定：將尺寸標(biāo)準(zhǔn)的白車身進(jìn)行三坐標(biāo)測量，示教機(jī)器人軌跡使得傳感器對準(zhǔn)測量點(diǎn)，調(diào)整傳感器安裝位置。由于生產(chǎn)中的環(huán)境影響因素（溫度，濕度，光線）、來件批次、工裝卡具磨損等因素的影響，車身尺寸可能會(huì)有一些變化，此外，零點(diǎn)標(biāo)定過的機(jī)器人測量軌跡位置也可能已經(jīng)偏離標(biāo)定之初的實(shí)際位置。因此須定期做MASTER CAR 標(biāo)定和機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定。由于此項(xiàng)工作耗時(shí)較長，在車身及測量系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，視生產(chǎn)情況季度或半年度做一次，如果測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題，比如機(jī)器人碰撞，則需要立即做MASTER CAR 標(biāo)定和機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定；2.Sensor check：作為上述措施的補(bǔ)充，生產(chǎn)過程中應(yīng)定期通過Sensor tree 做Sensor check 校驗(yàn)傳感器位置精度（根據(jù)產(chǎn)量或時(shí)間設(shè)定校準(zhǔn)次數(shù)）。如若Sensor check 沒有通過，需要停線對傳感器及軌跡進(jìn)行重新校準(zhǔn)，或進(jìn)行專業(yè)的傳感器清潔；3.Training 位置獲取：Training位置是測量位之前的準(zhǔn)備位置，同樣是由三坐標(biāo)車調(diào)校而來，環(huán)境影響因素也會(huì)發(fā)生變化，所以也需要定期做Training示教；4.取測量平均值：BESTFIT 測量超出公差設(shè)置會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這時(shí)需要人為對此點(diǎn)測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如果車身沒有問題，則采用平均值以保證生產(chǎn)；5.滑橇定位設(shè)計(jì)：206通過滑橇傳車，滑橇定位會(huì)直接影響測量準(zhǔn)確性。

3 生產(chǎn)節(jié)拍提升設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化

經(jīng)過大量測量數(shù)據(jù)分析，得出以下參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置會(huì)在保證測量精度的前提下最大限度提高節(jié)拍：

傳感器延遲（sensor delay），這個(gè)參數(shù)是防止機(jī)器人剛到位置就進(jìn)行測量，此時(shí)機(jī)器人的抖動(dòng)對檢測結(jié)果有影響，設(shè)置參數(shù)過大會(huì)影響節(jié)拍，過小機(jī)器人抖動(dòng)仍有影響，經(jīng)驗(yàn)值為500ms。

循環(huán)次數(shù)（Num. of Cycles），此設(shè)置是當(dāng)一次檢測不合格之后重新進(jìn)行的次數(shù)，重復(fù)次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)并且都是不合格的時(shí)候會(huì)調(diào)用歷史數(shù)值。因此若循環(huán)值設(shè)置過大會(huì)導(dǎo)致在不合格的時(shí)候多次重復(fù)測量，從而影響節(jié)拍，經(jīng)驗(yàn)值為3。超過三次，檢查原因或者取平均值。

Training 質(zhì)量（Quality）越好，機(jī)器人越能在最快時(shí)間從Training 位到達(dá)測量位，所以一般將Training 質(zhì)量做到接近極限值1 最好。

補(bǔ)償值（offset），如果車身數(shù)據(jù)有批量波動(dòng)，在臨時(shí)生產(chǎn)情況下，需要根據(jù)工裝參數(shù)設(shè)置某一方向補(bǔ)償值，用來適應(yīng)本批次車身。

拍攝次數(shù)（samples）會(huì)對節(jié)拍有影響，因?yàn)樽罱K結(jié)果是計(jì)算平均值，因此拍攝次數(shù)越多，采樣數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，越接近車身真實(shí)數(shù)值，但是會(huì)導(dǎo)致節(jié)拍時(shí)間增加，一般經(jīng)驗(yàn)值取10。

檢測時(shí)長（control timeout）用于設(shè)置測點(diǎn)檢測時(shí)長，超過檢測時(shí)長認(rèn)為車身數(shù)據(jù)不合格，一般經(jīng)驗(yàn)值取10。

3.2 緊湊的工藝路線

在全線機(jī)器人參與工藝制造的條件下，一般會(huì)在PLC 側(cè)將工藝路線的GRAPH 設(shè)計(jì)的比較緊湊，比如為了節(jié)省抓件時(shí)間，設(shè)置預(yù)抓件操作，即在當(dāng)前工位工藝正在進(jìn)行時(shí)，另一時(shí)序中的機(jī)器人提前抓件并在準(zhǔn)備位等待，或者在機(jī)器人編程時(shí)，盡量使用運(yùn)行速度快的編程方式；另一種方式是在進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃時(shí)，通過調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡平滑參數(shù)，在兩條直線路徑中采用圓弧過渡算法，從而節(jié)省軌跡長度。

3.3 工裝夾具和來件質(zhì)量穩(wěn)定性

機(jī)器視覺的檢測效率不僅取決于本身的穩(wěn)定，工裝夾具和來件質(zhì)量的穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要。一般來講，工裝夾具方面考慮的主要是運(yùn)送車身的滑橇，而滑橇定位取決于定位孔，車身定位孔與工位定位銷有無剮蹭，定位孔有無磨損，為了減少這些影響，需要定期對工裝位置進(jìn)行調(diào)校；來件質(zhì)量穩(wěn)定性主要是沖壓件尺寸穩(wěn)定性、沖壓件外觀整潔性和車身連接工藝質(zhì)量穩(wěn)定性，尺寸數(shù)據(jù)和車身連接工藝質(zhì)量需要PERCEPTRON 來檢測確保，沖壓件外觀整潔性主要看是否有油污等污染。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺是非接觸測量，可以檢測到人眼無法感受到的紅外和微弱的光，并且在長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，保證檢測精度和重復(fù)精度雙指標(biāo)良好。機(jī)器視覺運(yùn)行質(zhì)量良好的前提是整體系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性，盡可能小的減輕機(jī)器人本體抖動(dòng)且保證檢測目標(biāo)的位置標(biāo)準(zhǔn)化。在四門兩蓋裝配線引入機(jī)器視覺，實(shí)時(shí)檢測工裝數(shù)據(jù)并與機(jī)器人通訊，完成了過程控制連接工藝可靠性和車身尺寸的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了智能校正和質(zhì)檢合一，確保了白車身產(chǎn)品交付質(zhì)量，促進(jìn)質(zhì)量與產(chǎn)量并行發(fā)展。