工業(yè)視覺系統(tǒng)在新能源車間產(chǎn)線的應(yīng)用

陳文，劉非，鄭帥

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

基于一汽集團(tuán)和一汽-大眾數(shù)智化戰(zhàn)略，工業(yè)視覺系統(tǒng)在一汽-大眾工廠中得到越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)視覺系統(tǒng)就是使用CCD/CMOS相機(jī)捕獲圖像，將圖像傳送到圖像處理模塊，通過數(shù)字處理，根據(jù)像素分布、顏色和明暗度等信息確定形狀、顏色、大小等。工業(yè)視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)處理的快速性和重復(fù)性與人類視覺的智能化和抽象的能力相結(jié)合，伴隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，逐步成為自動(dòng)化生產(chǎn)關(guān)鍵子系統(tǒng)。

工業(yè)視覺系統(tǒng)可以提供很多功能，例如視覺定位、圖像識(shí)別、產(chǎn)品檢測(cè)、對(duì)象測(cè)量和代碼讀取等。新能源汽車電池生產(chǎn)線利用工業(yè)視覺系統(tǒng)的功能完成電池包的組裝。

工業(yè)視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.工業(yè)視覺系統(tǒng)一般構(gòu)成

如圖1所示，工業(yè)視覺系統(tǒng)一般由光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)線等組成。

圖1 視覺系統(tǒng)構(gòu)成

2.工業(yè)視覺系統(tǒng)的分類

在電池車間生產(chǎn)線有兩類視覺系統(tǒng)：一類為嵌入式系統(tǒng)（見圖2），又稱智能相機(jī)，由智能圖像傳感器、視覺傳感器（其內(nèi)部包含處理器、RAM、FLASH、I/O）及Ethernet組成；另一類為PC-Based系統(tǒng)（見圖3），由計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、I/O卡及處理軟件組成。

圖2 嵌入式系統(tǒng)

圖3 PC-Based系統(tǒng)

3.工業(yè)視覺系統(tǒng)通信

工業(yè)視覺系統(tǒng)可以和PLC通信，通過PLC程序觸發(fā)視覺系統(tǒng)運(yùn)行、切換程序和在線/離線切換等，也可以與機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制器通信。視覺系統(tǒng)可以向機(jī)器人提供該元件的位置，檢查某元件的多個(gè)面等，同時(shí)也可以和HMI/MES系統(tǒng)通信，進(jìn)行圖像結(jié)果反饋給操作人員、質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和過程控制等。

4.視覺系統(tǒng)在一汽-大眾新能源汽車電池產(chǎn)線應(yīng)用背景

在電池包裝配過程中會(huì)遇到模組在裝入殼體過程中，由于焊接殼體尺寸的不一致導(dǎo)致模組絕緣膜破損，造成電池安全的問題：由于殼體螺柱焊焊接尺寸偏差造成BMCE等塑料外殼零件擰緊時(shí)出現(xiàn)破損，導(dǎo)致成本浪費(fèi)等。

在FDS熱熔擰緊電池包上蓋和底護(hù)板時(shí)，由于殼體一致性差的原因，會(huì)導(dǎo)致FDS擰緊時(shí)不能按照上蓋和底護(hù)板孔位進(jìn)行擰緊，會(huì)出現(xiàn)擰緊位置偏差，這樣會(huì)影響電池包氣密性和螺栓力矩。

由于電池包安裝對(duì)清潔度有嚴(yán)格的要求，使用視覺系統(tǒng)后，上料及下料可以處于一個(gè)相對(duì)密封的空間來保證電池包的清潔度。

針對(duì)以上在電池包安裝過程遇到的各種問題，在新能源車間廣泛應(yīng)用視覺系統(tǒng)解決生產(chǎn)安全、電池包清潔度及成本浪費(fèi)等問題。

工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用——PC-Based系統(tǒng)

根據(jù)產(chǎn)品工藝在電池包裝配過程中會(huì)遇到模組在裝入殼體過程中，由于焊接殼體尺寸的不一致導(dǎo)致模組絕緣膜破損，造成電池安全問題。模組絕緣膜與支撐臺(tái)最小的間隙為0.248mm，通過使用視覺系統(tǒng)保證模組入箱無絕緣膜剮蹭。

模組入箱工位主要是利用視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人抓取工件，視覺系統(tǒng)依靠攝像頭采集工件特征圖片，并用采集到的照片與預(yù)先設(shè)定好的參考模板進(jìn)行對(duì)比，通過相關(guān)的圖像算法，可計(jì)算出當(dāng)前工件位置和理論工件位置的偏差，并將這個(gè)偏差值轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的偏移坐標(biāo)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到最佳位置抓取工件。

在電池車間大量應(yīng)用PC-Based系統(tǒng)視覺引導(dǎo)機(jī)器人抓取工件，它的最大優(yōu)點(diǎn)是可支持多臺(tái)相機(jī)，如果一個(gè)工位需要多臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作，選擇PC-Based系統(tǒng)還是比較經(jīng)濟(jì)的。

1.工位信息

如圖4 所示，具體工位信息如下：

圖4 工位圖

1）托盤攜帶電池殼體到達(dá)模組入箱工位，完成定位。

2）機(jī)器人1通過視覺識(shí)別系統(tǒng)，抓取4個(gè)模組到二次定位臺(tái)。

上次請(qǐng)你來給金銀花治病的時(shí)候我就知道，你愛的不是那些個(gè)位置，而是你的專業(yè)。所以，我就把合同擬好了。秀紅說。

3）機(jī)器人2對(duì)殼體進(jìn)行拍照，確認(rèn)殼體基準(zhǔn)位置，將位置信息傳給機(jī)器人3，機(jī)器人2完成涂膠工作。

4）機(jī)器人3攜帶擰緊軸到到二次定位臺(tái)抓取模組，并根據(jù)機(jī)器人2反饋的殼體基準(zhǔn)位置信息進(jìn)行模組入箱，同時(shí)進(jìn)行4顆螺栓擰緊。

5）重復(fù)以上步驟11次，完成全部模組入箱擰緊。

6）龍門架上的光電傳感器識(shí)別空的模組料架，由機(jī)器人1抓取空料架到輸出輥道。

7）完成后，機(jī)器人全部回原點(diǎn)，電池包離開。

2.視覺功能的實(shí)現(xiàn)

模組入箱工位利用視覺功能檢測(cè)模組來料姿態(tài)，抓取模組和檢測(cè)下箱體基準(zhǔn)點(diǎn)位置，推算下箱體各個(gè)螺栓孔位置。下面主要介紹模組入箱的視覺功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的。模組入箱這一步主要是讓相機(jī)拍照獲取工站殼體位置，引導(dǎo)涂膠機(jī)器人涂膠，引導(dǎo)機(jī)器人放置模組并進(jìn)行擰緊。

（1）九點(diǎn)標(biāo)定 相機(jī)通過九點(diǎn)標(biāo)定（見圖5）與機(jī)器人統(tǒng)一坐標(biāo)系。

圖5 九點(diǎn)標(biāo)定程序結(jié)構(gòu)

（2）示教基準(zhǔn) 調(diào)試時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)殼體兩個(gè)銷孔的RPS點(diǎn)（見圖6），有序分別進(jìn)行拍照，得到兩個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)：A（X1，Y1），B（X2，Y2）。

圖6 殼體RPS點(diǎn)位置

圖7 殼體RPS點(diǎn)位置及程序結(jié)構(gòu)

圖8 測(cè)量原理

模組抓取與模組入箱同理，機(jī)器人帶動(dòng)相機(jī)到各個(gè)對(duì)應(yīng)的模組拍照位，一次拍照獲取模組的4個(gè)擰緊孔特征，運(yùn)算出模組位置整體偏移的X、Y、Z及A值，引導(dǎo)機(jī)器人抓取。

工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用——嵌入式系統(tǒng)

在FDS熱熔擰緊電池包上蓋和底護(hù)板時(shí)，由于殼體的一致性差的原因會(huì)導(dǎo)致FDS擰緊時(shí)不能按照上蓋和底護(hù)板孔位進(jìn)行擰緊，會(huì)出現(xiàn)擰緊位置偏差，這樣會(huì)影響電池包氣密性和螺栓力矩。通過視覺系統(tǒng)的使用根據(jù)每個(gè)殼體的尺寸偏差進(jìn)行擰緊，保證擰緊孔位正確無誤。

在新能源車間電池產(chǎn)線使用智能相機(jī)進(jìn)行定位、BMCE撕膜檢測(cè)、電池包總成碼檢測(cè)讀取等應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是工作空間小、操作簡(jiǎn)單、集成性強(qiáng)、穩(wěn)定性高及維護(hù)簡(jiǎn)單。

1.工位信息介紹

如圖9所示，具體工位信息如下：

圖9 FDS熱熔擰緊工位

1）托盤攜帶電池包到達(dá)電測(cè)試工位，完成定位。

2）相機(jī)進(jìn)行拍照，確定電池包位置偏差值。

3）機(jī)器人根據(jù)反饋值進(jìn)行擰緊。

4）擰緊完成后，電池包離開。

2.視覺功能的實(shí)現(xiàn)

FDS熱熔擰緊工位視覺功能為機(jī)器人帶動(dòng)相機(jī)分別拍上蓋板兩個(gè)RPS點(diǎn)共2次拍照，通過特征計(jì)算得出蓋板整體X、Y坐標(biāo)偏移及角度A偏移，引導(dǎo)機(jī)器人安裝擰緊螺絲。

（1）九點(diǎn)標(biāo)定 相機(jī)通過九點(diǎn)標(biāo)定（見圖10）與機(jī)器人統(tǒng)一坐標(biāo)系，機(jī)器人帶著相機(jī)移動(dòng)九點(diǎn)，拍照九次，同時(shí)記錄每次的視覺讀取的特征坐標(biāo)與機(jī)器人拍照位置坐標(biāo)值，一一對(duì)應(yīng)，采用Calib工具運(yùn)算。

圖10 九點(diǎn)標(biāo)定

（2）示教基準(zhǔn) 調(diào)試時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)殼體兩個(gè)銷孔的RPS點(diǎn)（見圖11），有序分別進(jìn)行拍照，得到基準(zhǔn)坐標(biāo)A（X，Y）。

圖11 基準(zhǔn)示教

（3）檢測(cè)程序（如圖12）FDS熱熔擰緊工位視覺功能檢測(cè)程序如圖12所示。此外，在新能源電池車間還有撕膜檢測(cè)工位（見圖13）和標(biāo)簽讀碼工位都用到了智能相機(jī)，這里不再詳述。

圖12 檢測(cè)程序

結(jié)語

未來一汽-大眾新能源電池產(chǎn)線通過工業(yè)視覺系統(tǒng)的深度開發(fā)與應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，通過總結(jié)最佳實(shí)踐應(yīng)用，積累技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建新能源汽車電池智能工廠。