總裝車間車身間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)淺析

陳洋 楊耀勇 田陽(yáng) 邱兆勇 滕龍

（1. 機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，長(zhǎng)春 130000；2.一汽鑄造有限公司，長(zhǎng)春 130000）

1 前言

汽車的裝配是汽車產(chǎn)品制造過(guò)程中最重要工藝環(huán)節(jié)之一，是將經(jīng)檢驗(yàn)合格的數(shù)以百計(jì)、或數(shù)以千計(jì)的各種零部件按著一定的技術(shù)要求組裝成整車及發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成的工藝過(guò)程，在對(duì)汽車裝配完成后，需要對(duì)裝配后的整車進(jìn)行各組成部件間間隙斷差的測(cè)量和檢驗(yàn)工作，針對(duì)總裝車間零部件數(shù)量大，種類多，裝配工作復(fù)雜且多樣化的特點(diǎn)，如何提高總裝車間裝配及質(zhì)量檢測(cè)的自動(dòng)化程度，提高裝配精度、裝配質(zhì)量及裝配效率，是目前乃至今后總裝車間的研究方向，基于以上需求，在某豪華汽車總裝車間生產(chǎn)線上，對(duì)于完成整車裝配后需要進(jìn)行車身表面間隙面差的質(zhì)量檢查的工作，探究設(shè)計(jì)并開發(fā)一套車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，利用協(xié)作機(jī)器人與激光檢測(cè)測(cè)頭的協(xié)同工作及其他配套設(shè)備，形成一套自動(dòng)化車身表面間隙斷差檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)代替質(zhì)保檢查人員完成手工檢查車身表面間隙斷差并記錄檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)工作。以本豪華汽車總裝車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)為載體，從技術(shù)應(yīng)用背景，整體技術(shù)方案、設(shè)備系統(tǒng)組成、檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析及應(yīng)用等幾個(gè)方面研究車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在汽車總裝車間生產(chǎn)中的應(yīng)用，研究?jī)?nèi)容對(duì)于如何提升總裝車間質(zhì)量檢測(cè)自動(dòng)化水平具有參考價(jià)值，本項(xiàng)智能裝備技術(shù)可在總裝車間汽車管線檢測(cè)、汽車漆面質(zhì)量檢測(cè)等質(zhì)保工位推廣使用，有助于促進(jìn)協(xié)作機(jī)器人在總裝車間的廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用背景及技術(shù)方案

汽車零部件之間的裝配質(zhì)量是評(píng)價(jià)汽車產(chǎn)品制造工藝水平的重要組成部分。車身裝配質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn),主要集中在對(duì)車身覆蓋件與車身的間隙、面差的評(píng)價(jià)方面。在對(duì)汽車裝配完成后，需要對(duì)裝配后的整車進(jìn)行各組成部件間間隙斷差的測(cè)量和檢驗(yàn)工作，通?？傃b車間完成整車裝配后采用人工使用塞尺、游標(biāo)卡尺及斷差尺對(duì)車身各零部件總成間的間隙面差進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)，這樣容易由于人工測(cè)量的主觀性和人工測(cè)量較大的測(cè)量誤差導(dǎo)致對(duì)車身表面間隙斷差檢測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果可能無(wú)法真實(shí)有效反映車身真實(shí)的情況，不利于整車質(zhì)量保障和監(jiān)督，且培養(yǎng)一名經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)過(guò)硬的車身表面間隙斷差檢測(cè)師需要多年的實(shí)踐和積累，需要投入大量的資源和費(fèi)用，不利于降低人工成本，不利于節(jié)省操作工位，浪費(fèi)工時(shí)。故通過(guò)開發(fā)并應(yīng)用本套總裝車間車身間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，整體技術(shù)方案及設(shè)備系統(tǒng)組成如圖1、表1所示。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)平面布局

表1 設(shè)備系統(tǒng)組成

可節(jié)省本工位2 名操作工人的勞動(dòng)力，提高了質(zhì)量檢查的效率和質(zhì)量，節(jié)省人力物力，并且無(wú)需設(shè)置安全圍欄，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行安全保障性高，值得推廣應(yīng)用。

3 設(shè)備系統(tǒng)組成

3.1 協(xié)作機(jī)器人

選擇適合車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的機(jī)器人是首要工作，機(jī)器人選型要綜合考慮品牌、負(fù)載、臂展及拓展性等多種因素。首先，要結(jié)合使用方的使用需求及以往類似項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行機(jī)器人品牌型號(hào)的初步篩選；其次，要深入分析機(jī)器人的使用工況和應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步縮小機(jī)器人的選型范圍；再者，要充分考慮到機(jī)器人在工作過(guò)程中的動(dòng)作姿態(tài)和可達(dá)性，選擇合理臂展的機(jī)器人；最后，再根據(jù)項(xiàng)目的使用環(huán)境和生產(chǎn)節(jié)拍等特性，判斷是否需要增加機(jī)器人行走軌道，擴(kuò)大機(jī)器人的工作覆蓋范圍。以本設(shè)備系統(tǒng)為例，由于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在安全性方面需要增設(shè)安全圍欄、安全門等安全防護(hù)措施，而協(xié)作機(jī)器人自身加裝有一定數(shù)量的力度、扭矩及安全傳感器，不僅能夠免于設(shè)置安全圍欄，節(jié)省安全圍欄空間，而且還可以與操作者在同一工作空間中協(xié)同作業(yè)[1]，更加適合車身表面間隙斷差檢測(cè)工作的使用工況，故初步確定使用人機(jī)協(xié)作機(jī)器人作為主要載體，于此同時(shí)，由于協(xié)作機(jī)器人自身臂展有限（選用的協(xié)作機(jī)器人臂展為1 200 mm）,通過(guò)給每個(gè)協(xié)作機(jī)器人加設(shè)行走軌道的方式，增加機(jī)器人的工作范圍，從而保證所有間隙面差檢測(cè)位置均可達(dá)的目標(biāo)。綜合以上幾個(gè)選型的因素及本設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，采用UR 品牌協(xié)作機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人具體型號(hào)參數(shù)選擇可參考表2。

3.2 視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)

視覺(jué)定位引導(dǎo)技術(shù)隨著生產(chǎn)自動(dòng)化需求程度的提高，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善，目前已經(jīng)在汽車行業(yè)和眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，其基本原理是利用視覺(jué)測(cè)頭與機(jī)器人、工控機(jī)配合來(lái)替代人眼識(shí)別，實(shí)現(xiàn)更高程度的生產(chǎn)自動(dòng)化。在車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)中，為了消除由輸送線運(yùn)輸而來(lái)的整車初始位置定位與較為理想的初始位置定位之間的空間位置誤差，就需要利用視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始位置誤差的判斷和計(jì)算，將誤差補(bǔ)償值發(fā)送給機(jī)器人系統(tǒng)，從而確保整套設(shè)備系統(tǒng)與車輛的相對(duì)位置的一致性。目前視覺(jué)定位引導(dǎo)技術(shù)大致可以分為二維視覺(jué)定位引導(dǎo)技術(shù)和三維視覺(jué)定位引導(dǎo)技術(shù)，其中，基于單目視覺(jué)的二維定位技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，結(jié)合本設(shè)備系統(tǒng)的檢測(cè)特點(diǎn)，需要通過(guò)捕捉每輛整車上選取的特征點(diǎn)或面的空間位置信息與車輛預(yù)設(shè)標(biāo)定的信息進(jìn)行比對(duì)得出補(bǔ)償值，選擇二維視覺(jué)定位測(cè)頭即可滿足定位要求，且從經(jīng)濟(jì)性角度考慮最優(yōu)。確定選用二維視覺(jué)引導(dǎo)相機(jī)后，依照測(cè)頭與機(jī)器人二者的位置關(guān)系，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)大致可以分成兩種不同的類型，一種是將攝像機(jī)設(shè)置在機(jī)器人手臂的末端，確保其能夠與機(jī)械手共同運(yùn)動(dòng)，另一種是將攝像機(jī)安裝在一個(gè)相對(duì)固定的位置，并不會(huì)隨著機(jī)械手運(yùn)動(dòng)[2]。對(duì)于本設(shè)備應(yīng)用工況來(lái)說(shuō)，由于需要兼顧多個(gè)不同規(guī)格尺寸的車輛的特征點(diǎn)的捕捉，故將視覺(jué)定位引導(dǎo)相機(jī)與激光檢測(cè)測(cè)頭一起集成在機(jī)器人末端第七軸的方式實(shí)施。確定視覺(jué)引導(dǎo)相機(jī)的安裝形式后，視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)試工作主要有如下兩個(gè)階段，首先，進(jìn)行視覺(jué)定位引導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定工作，通過(guò)標(biāo)定來(lái)獲取物體二維像點(diǎn)和三維物點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系；然后，通過(guò)捕捉實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)入檢測(cè)工位的生產(chǎn)車輛上的特征點(diǎn)的信息，與標(biāo)定所得到的空間坐標(biāo)信息進(jìn)行比對(duì)，將計(jì)算得出的空間坐標(biāo)的偏差數(shù)值補(bǔ)償給設(shè)備系統(tǒng)，引導(dǎo)機(jī)器人帶檢測(cè)測(cè)頭準(zhǔn)確完成間隙面差的檢測(cè)任務(wù)。以本設(shè)備系統(tǒng)為例，在標(biāo)定階段，主要完成相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定，通過(guò)一系列坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)判斷物體在圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的具體坐標(biāo)的功能。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在標(biāo)定過(guò)程中，必須確保一些基本參數(shù)固定，如測(cè)頭的光圈和焦距等，標(biāo)定工作完成，則相機(jī)內(nèi)部參數(shù)將不再發(fā)生變化，因而外部參數(shù)只會(huì)因?yàn)橄鄼C(jī)拍攝圖片位置和姿勢(shì)的不同而有所不同[3]，從而實(shí)現(xiàn)了控制變量的效果。在實(shí)際生產(chǎn)中的車輛特征點(diǎn)信息識(shí)別和計(jì)算時(shí)，首先要選取車輛上合適的位置作為特征點(diǎn)，以本項(xiàng)目為例，選取車輛前風(fēng)擋玻璃附近發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板交界處的圓角輪廓處作為特征點(diǎn)，通過(guò)每次相機(jī)拍攝該特征得出的空間位置坐標(biāo)與標(biāo)定時(shí)的空間坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得出補(bǔ)償值并傳遞給機(jī)器人控制系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 視覺(jué)定位偏差捕捉與補(bǔ)償

3.3 激光檢測(cè)測(cè)頭

車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)中最核心的組成部分就是激光檢測(cè)測(cè)頭。本項(xiàng)目選用兩個(gè)激光檢測(cè)測(cè)頭為一組，利用激光三角法測(cè)量原理，具體原理如下圖3 所示，激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光束投射到被測(cè)物體的表面上產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn),光束在此處產(chǎn)生散射光,散射光束的一部分通過(guò)透鏡打在了與激光器光軸線成一定夾角的感光元件上,產(chǎn)生圖像。通過(guò)計(jì)算圖像上光斑的距離可以測(cè)得物體到相機(jī)的距離。通過(guò)對(duì)相機(jī)的標(biāo)定可以得到物體到相機(jī)的距離[4]。

圖3 測(cè)量原理

使用激光檢測(cè)測(cè)頭實(shí)現(xiàn)車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)的步驟如下：對(duì)測(cè)頭參數(shù)及特征平面的標(biāo)定，圖形處理,通過(guò)建立的模型進(jìn)行特征點(diǎn)的提取及三維重建,特征計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。首先，需要完成測(cè)頭的標(biāo)定工作。在機(jī)器視覺(jué)的圖像測(cè)量應(yīng)用中,為得到空間某點(diǎn)的三維信息,必須建立相機(jī)成像的幾何模型,以確定空間點(diǎn)與圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系,求解參數(shù)的過(guò)程稱為測(cè)頭相機(jī)標(biāo)定。其次，進(jìn)行圖形處理，對(duì)選取的車身上的測(cè)量點(diǎn)所在區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，采用圖像分割的方法，進(jìn)一步定位測(cè)量數(shù)據(jù)的位置，減少提取的運(yùn)算量。然后，進(jìn)行特征點(diǎn)的提取及三維重現(xiàn)，采用基于圖像學(xué)的特征提取，利用標(biāo)定好的測(cè)頭相機(jī)參數(shù)，將圖形上的二維特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換為空間中的三維點(diǎn)。最后，完成特征計(jì)算，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把圖像上的二維點(diǎn)特征點(diǎn)轉(zhuǎn)化為三維重建,已轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)云,對(duì)提取的特征點(diǎn)分別按照對(duì)應(yīng)的間隙、面差模型進(jìn)行計(jì)算,得到測(cè)量結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行分析。

3.4 檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析及應(yīng)用

隨著汽車需求市場(chǎng)的變化，汽車生產(chǎn)行業(yè)的特征變化也愈發(fā)明顯，各主機(jī)廠不斷推陳出新，從定位上對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)進(jìn)行細(xì)分，更加明顯的是，主機(jī)廠對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，以前只是對(duì)關(guān)鍵零件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行批量抽檢，現(xiàn)在需要對(duì)更多的零件的更多尺寸精度和整車裝配后的間隙面差值，采用更高頻次的檢查，甚至全檢，這對(duì)汽車產(chǎn)品的測(cè)量方式提出更高的效率和精度要求[5]。

以本項(xiàng)目需要進(jìn)行間隙斷差檢測(cè)的車型為例，其檢測(cè)點(diǎn)分布如下圖4 所示。

圖4 檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖

檢測(cè)點(diǎn)通常選擇汽車“四門兩蓋”周圍的點(diǎn)位，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與翼子板間、前后門間、前門與翼子板間、后門與側(cè)圍間等多個(gè)零部件及總成之間的檢測(cè)點(diǎn)的間隙斷差的測(cè)量，得出整車的間隙斷差的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行如下幾個(gè)方面的統(tǒng)計(jì)分析。

a.數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析：能夠?qū)Υ罅繖z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)波動(dòng)分析，顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。

b.實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量：顯示單個(gè)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)偏差，包含工藝ID 信息，用來(lái)查看不同零件間該測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值。

c.進(jìn)行單點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：顯示單個(gè)測(cè)量點(diǎn)在多個(gè)循環(huán)下的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)。

d.提供單點(diǎn)概要：顯示單點(diǎn)的測(cè)量值及趨勢(shì)圖，對(duì)不同零件間的同一測(cè)點(diǎn)給出直觀的圖形化理解。

e.單點(diǎn)趨勢(shì)圖：顯示單個(gè)測(cè)量點(diǎn)在不同測(cè)量零件的測(cè)量值，顯示連續(xù)多個(gè)零件上該點(diǎn)的工藝波動(dòng)情況。

f.趨勢(shì)相關(guān)性分析：能夠選擇多個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)這些測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行相關(guān)性趨勢(shì)顯示。

通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，研究在檢測(cè)數(shù)據(jù)背后所隱藏的價(jià)值和作用，是進(jìn)行車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)的更深層次的價(jià)值所在。

在此豪華汽車總裝車間投入使用后，實(shí)現(xiàn)了4個(gè)車型的車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)，并在投入運(yùn)行后的幾個(gè)月的生產(chǎn)過(guò)程中，積累了大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及趨勢(shì)分析。

圖5 檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用

4 結(jié)束語(yǔ)

以某豪華汽車總裝車間生產(chǎn)中所采用的車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)這一智能裝備技術(shù)應(yīng)用為背景，著重介紹了該設(shè)備系統(tǒng)的整體技術(shù)方案、各關(guān)鍵組成部分的工作原理及功能配置，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析與應(yīng)用進(jìn)行了闡述和說(shuō)明，總而言之，車身表面間隙斷差自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備為汽車整車質(zhì)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化檢測(cè)的目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該設(shè)備所應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)方法可在總裝車間汽車管線檢測(cè)、汽車漆面質(zhì)量檢測(cè)等質(zhì)保工位推廣使用，有利于提高汽車工廠總裝車間整體的自動(dòng)化、智能化水平。