視覺技術(shù)在白車身制造過程中的應(yīng)用

谷昊，周林柱，宋思源，張星，李金寶

中國(guó)第一汽車股份有限公司工程與生產(chǎn)物流部 吉林長(zhǎng)春 130011

1 序言

在數(shù)字化、智能制造和工業(yè)4.0的時(shí)代背景下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，用戶需求快速更新迭代，自動(dòng)化和柔性化成為了汽車工業(yè)亟需突破的重點(diǎn)課題。視覺技術(shù)的應(yīng)用為白車身制造過程中引導(dǎo)定位、過程質(zhì)量監(jiān)控等關(guān)鍵領(lǐng)域提供了新的解決方案。

視覺技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的基本原理是視覺傳感器對(duì)機(jī)器人周邊環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后將其反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，通過攝像頭（CCD/CMOS）標(biāo)定算法將2D-3D映射求參，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。

本文重點(diǎn)關(guān)注視覺技術(shù)，闡述了其在焊裝車間中的應(yīng)用，通過分析視覺傳感器對(duì)工件進(jìn)行拍照和解算，引導(dǎo)機(jī)器人修正軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能抓取和焊接；視覺傳感器借助RGB三色光源應(yīng)對(duì)不同檢測(cè)場(chǎng)景，實(shí)時(shí)檢測(cè)涂膠質(zhì)量；2D視覺檢測(cè)和3D激光測(cè)量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身特征三維空間尺寸測(cè)量等在白車身制造過程中的應(yīng)用與實(shí)踐，為汽車工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造積累經(jīng)驗(yàn)。

2 視覺技術(shù)在機(jī)器人抓取引導(dǎo)中的應(yīng)用

白車身制造過程中工件在線體內(nèi)的自動(dòng)運(yùn)輸依靠的是抓具和夾具的精確配合，但是在工件由線外到線內(nèi)的上件過程中，無論是采用精定位料車還是AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)引導(dǎo)車）馱運(yùn)器具運(yùn)輸，其精度都遠(yuǎn)達(dá)不到工裝的等級(jí)，因此機(jī)器人無法正常抓取工件。應(yīng)用視覺技術(shù)輔助機(jī)器人定位，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡自適應(yīng)，精準(zhǔn)完成抓取動(dòng)作。

2.1 基本原理

將視覺引導(dǎo)傳感器集成到機(jī)器人上，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到尋件位置后，攝像頭對(duì)工件進(jìn)行拍照，并對(duì)工件上的特征點(diǎn)進(jìn)行圖像處理來解算工件在空間中的6自由度（限制X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，還有基于X、Y、Z軸向的旋轉(zhuǎn)）變化量，并將信號(hào)反饋給機(jī)器人，從而修正機(jī)器人軌跡[1]。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

視覺引導(dǎo)抓取在白車身制造過程中主要應(yīng)用在自動(dòng)上件工位及主拼工位。根據(jù)工件的尺寸和特征以及工裝的干涉性，選擇視覺傳感器集成在抓取機(jī)器人、抓具上（見圖1），或者固定安裝，對(duì)視覺傳感器進(jìn)行采圖示教。機(jī)器人與視覺傳感器進(jìn)行手眼標(biāo)定，控制器通過算法將工件特征位置坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)器人，使其精確取件。

圖1 集成視覺傳感器的抓具

2.3 應(yīng)用價(jià)值

視覺引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)抓取在很大程度上降低了料車或器具的設(shè)計(jì)和制造難度，更能很好地適配AGV運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)無人搬運(yùn)的智能工廠。

3 視覺技術(shù)在涂膠檢測(cè)中的應(yīng)用

涂膠作為白車身制造過程中的一種重要連接工藝，具有機(jī)械連接（如鉚接等）、固態(tài)連接（點(diǎn)焊、摩擦焊等）不可替代的優(yōu)勢(shì)：①可以有效連接金屬與非金屬；②不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械連接的應(yīng)力集中問題；③密封膠還可以起到密封作用，因此涂膠質(zhì)量的控制就顯得尤為重要。常見的涂膠質(zhì)量問題主要是位置偏差、物料量超差、斷膠等。傳統(tǒng)檢測(cè)方式是采用人工抽檢，缺點(diǎn)是操作性差、樣本量少，有缺陷流出風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 基本原理

涂膠視覺傳感器（見圖2）由光源和相機(jī)構(gòu)成，實(shí)時(shí)拍攝2D圖片，其內(nèi)容包括膠槍嘴，以及底板陰影、膠條、膠條的反光。通過控制器進(jìn)行示教得到膠條的骨架點(diǎn)，并設(shè)置區(qū)段檢測(cè)參數(shù)。最后軟件算法調(diào)用不同區(qū)段的骨架點(diǎn)和檢測(cè)參數(shù)，將結(jié)果反饋至控制器，從而判斷涂膠寬度、涂膠位置以及涂膠連續(xù)性是否符合設(shè)定質(zhì)量目標(biāo)。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

視覺技術(shù)應(yīng)用在白車身制造過程中，可將涂膠傳感器集成在涂膠槍嘴上，如圖3所示。工藝人員對(duì)膠條參數(shù)進(jìn)行示教，實(shí)際生產(chǎn)過程中涂膠檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)涂膠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)工件的涂膠檢測(cè)結(jié)果以及回放可以在控制器中查看。膠條的位置、物料量超差或者出現(xiàn)斷膠等控制失效情況時(shí)，控制器會(huì)報(bào)警，并在控制器中顯示警告項(xiàng)的失效類型、超差量，工藝和維修人員可以據(jù)此追溯問題的真正原因。

圖3 涂膠視覺檢測(cè)過程

3.3 應(yīng)用價(jià)值

在白車身制造過程中，涂膠過程的質(zhì)量控制對(duì)于整車的強(qiáng)度、密封性和面品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)于涂膠質(zhì)量的檢測(cè)手段一般采用對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行人工測(cè)量。視覺技術(shù)的應(yīng)用不僅能檢測(cè)關(guān)鍵幀，而且能做到實(shí)時(shí)全過程覆蓋，不占用生產(chǎn)線節(jié)拍，從而可有效提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化率、質(zhì)量控制等級(jí)和數(shù)字化監(jiān)控。

4 視覺技術(shù)在數(shù)字夾具定位中的應(yīng)用

在白車身制造過程中，車身主流定位方式有兩種，分別為升降滾床下夾具定位和隨車定位滑橇。方式一主要依靠NC定位升降滾床下落，到位后下夾具夾緊，車身定位完成；方式二高速滾床與隨車的精度滑橇配合，根據(jù)理論位置完成車身定位。方式一定位精度及穩(wěn)定性高，但車型柔性較差，且下夾具夾緊、打開時(shí)間占用節(jié)拍；方式二占用節(jié)拍時(shí)間短，但是隨車滑橇的加工精度和一致性加工、維護(hù)難度高，車型柔性也較差。視覺技術(shù)的應(yīng)用可以取消定位夾具，從而提升傳統(tǒng)車身定位方式的車型柔性和機(jī)器人利用率。

4.1 基本原理

根據(jù)RPS系統(tǒng)定位的“3-2-1”原則，首先通過主基準(zhǔn)規(guī)定方向，3點(diǎn)或面接觸，消除3個(gè)自由度；再通過次基準(zhǔn)定位，2點(diǎn)或線接觸，消除2個(gè)自由度；最后第三基準(zhǔn)控制工件的旋轉(zhuǎn)，選取1點(diǎn)，消除1個(gè)自由度。至此，限制了工件在三維空間中的6個(gè)自由度，完成定位。視覺相機(jī)依據(jù)“3-2-1”定位原則對(duì)選取的特征點(diǎn)進(jìn)行拍照，再通過算法來得到當(dāng)前工件在坐標(biāo)系下與理論位置的偏差，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

視覺定位系統(tǒng)由4個(gè)相機(jī)模塊組成，其位置布局如圖4所示。根據(jù)線體規(guī)劃最大視野覆蓋面積分布，3個(gè)相機(jī)即可滿足定位精度，第4個(gè)相機(jī)作為冗余設(shè)計(jì)。在地板線和主焊線的補(bǔ)焊工位應(yīng)用視覺定位時(shí)，根據(jù)“3-2-1”定位原則，選取工件的3個(gè)RPS點(diǎn)或至少1個(gè)3D特征（如孔、凹槽等）、1個(gè)2D特征（如棱線、邊界等）和1個(gè)特征面，調(diào)試時(shí)對(duì)視覺傳感器進(jìn)行采圖示教并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手眼標(biāo)定，在視覺系統(tǒng)與被引導(dǎo)機(jī)器人之間完成通信配置后可實(shí)現(xiàn)視覺定位。

圖4 視覺傳感器位置布局

4.3 應(yīng)用價(jià)值

視覺技術(shù)在數(shù)字夾具定位中的應(yīng)用極大地減少了車身定位的時(shí)間，可增加純工藝時(shí)間4～8s，從而提高機(jī)器人利用率；其定位精度與穩(wěn)定性較高，在坐標(biāo)系下X、Y、Z方向的定位誤差可以控制在0.5mm，X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)方向的定位誤差可以控制在0.015°，能夠達(dá)到焊接的質(zhì)量目標(biāo)；維修便捷，更換或校準(zhǔn)相機(jī)并進(jìn)行快速標(biāo)定；車型柔性化高，可兼容不同平臺(tái)、尺寸差異大的車型[2]。

5 視覺技術(shù)在尺寸測(cè)量中的應(yīng)用

白車身BOM復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，決定了車身尺寸產(chǎn)生波動(dòng)的原因多樣化。在白車身制造過程中，影響白車身尺寸的主要變差來源包括零件狀態(tài)、工裝夾具、人員操作和公差累積等。對(duì)車身尺寸進(jìn)行控制，首先要對(duì)制造過程的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)采樣，數(shù)據(jù)的跟蹤是實(shí)現(xiàn)整車裝配過程監(jiān)控的基礎(chǔ)，檢測(cè)方法決定了車身裝配過程監(jiān)控的精確性和有效性。目前，白車身骨架尺寸測(cè)量常用的方法是三坐標(biāo)檢測(cè)，其具有較高的精度和柔性，但是只能定期進(jìn)行離線檢測(cè)，對(duì)于問題的暴露和解決具有延時(shí)性。

5.1 基本原理

白車身尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)是基于視覺檢測(cè)技術(shù)和3D激光測(cè)量技術(shù)的非接觸式測(cè)量。在設(shè)定好的照明條件下，利用線型激光照射至被測(cè)物體特征位置表面產(chǎn)生光條，激光位移傳感器對(duì)光條進(jìn)行解析以獲取3D特征數(shù)據(jù)，其線性度最高可達(dá)1μm，最高分辨率可達(dá)0.1μm。同時(shí)，采用CCD（Charge Coupled Device）陣列相機(jī)拍攝2D圖像，控制器對(duì)圖像處理算法得到特征的二維坐標(biāo)值，再通過三角測(cè)量原理圖像將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為傳感器坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)白車身尺寸的精確測(cè)量。

5.2 實(shí)際應(yīng)用

白車身尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于焊裝車間地板總成及白車身骨架總成工位，對(duì)總成的關(guān)鍵定位孔、安裝孔以及其他功能尺寸進(jìn)行在線檢測(cè)。如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)生產(chǎn)線節(jié)拍布局4～6個(gè)在線測(cè)量機(jī)器人，覆蓋工件全部特征關(guān)鍵點(diǎn)。視覺在線測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車身尺寸波動(dòng)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以對(duì)單點(diǎn)尺寸超差、多點(diǎn)關(guān)聯(lián)超差報(bào)警，并對(duì)尺寸波動(dòng)預(yù)警等，及時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的突變、均值波動(dòng)和均值飄移等，并對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)形成測(cè)量報(bào)告。

圖5 在線測(cè)量工位機(jī)器人站位

5.3 應(yīng)用價(jià)值

在白車身制造過程中，在線視覺檢測(cè)不僅可以實(shí)現(xiàn)高度柔性化，無需離線，而且搭載溫度補(bǔ)償系統(tǒng)還可以消除車身坐標(biāo)系下測(cè)量結(jié)果的偏差。視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以在全過程實(shí)時(shí)覆蓋車身尺寸在線的同時(shí)記錄每輛車的“個(gè)人信息”，為質(zhì)量溯源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，而且還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化、可視化分析處理，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控?cái)?shù)字化轉(zhuǎn)型。

6 結(jié)束語

視覺技術(shù)應(yīng)用在白車身制造過程中有極大益處，首先對(duì)于生產(chǎn)線的柔性化和自動(dòng)化有所提升，其次代替不符合人機(jī)工程或人工視覺精度不滿足的檢查工藝，使質(zhì)量控制全過程覆蓋，質(zhì)量問題可追溯。

未來視覺技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)，將助力焊裝機(jī)器人實(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境識(shí)別、過程決策、缺陷預(yù)防、過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，構(gòu)建自動(dòng)化、柔性化智能焊裝工廠。