基于線陣相機(jī)的底盤緊固件檢測系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

摘 要：汽車自動合裝工藝在國內(nèi)外汽車工廠中的應(yīng)用越來越廣，導(dǎo)致自動合裝過程失敗的一個重要因素是緊固件的缺失和錯放。本文提出的基于線陣相機(jī)的底盤緊固件檢測系統(tǒng)，采用機(jī)器人加線陣相機(jī)的方案，充分利用了運(yùn)動系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，同時兼顧了經(jīng)濟(jì)性和柔性化生產(chǎn)線的需求，該系統(tǒng)在生產(chǎn)線上開展了工程應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，最大程度降低了由于緊固件錯放、漏放導(dǎo)致自動合裝失敗情況的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：自動合裝 線陣相機(jī) 緊固件檢測

1 緒論

汽車合裝工藝是總裝車間最為復(fù)雜的一個工序，是底盤前后懸架等部件與車身安裝和裝配的過程[1]。車身和底盤合裝工藝是汽車總裝裝配過程中的核心工藝，其合裝的精度和效率成為制約汽車質(zhì)量和產(chǎn)量的決定性因素。當(dāng)前在汽車廠中車身和底盤的合裝多數(shù)采用人工輔助的方式進(jìn)行，需要人工干預(yù)邊拼合、邊調(diào)整以完成整個合裝裝配過程，整個裝配工藝耗時長、勞動強(qiáng)度大，裝配效率低下。因此，實(shí)現(xiàn)車身和底盤自動合裝裝配工藝成為提升裝配質(zhì)量和產(chǎn)量的主要解決方案。

在自動合裝過程中，由于人工操作的失誤，往往會因?yàn)槿鄙倬o固件、緊固件型號錯誤導(dǎo)致合裝工藝失敗，自動合裝裝配工藝復(fù)雜，一旦合裝失敗，返修難度大、耗時長，因此在合裝前進(jìn)行裝配點(diǎn)的檢測成為解決這一工藝難題的主要技術(shù)方案。

汽車底盤和車身采用緊固件連接，擰緊點(diǎn)的數(shù)量范圍在25至50之間，主要分布在前懸架、電池包和后懸架，如圖1所示。由于不同車型的裝配點(diǎn)位置有差異，在多車型共線生產(chǎn)系統(tǒng)中，若使用傳統(tǒng)的傳感器來檢測裝配點(diǎn)緊固件的錯裝、漏裝，具有布置困難和成本高等缺點(diǎn)，因此使用視覺檢測技術(shù)成為主要技術(shù)手段之一。

機(jī)器視覺作為工業(yè)自動化領(lǐng)域種一項(xiàng)多學(xué)科融合技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于缺陷檢測、定位引導(dǎo)等工業(yè)場景。本文構(gòu)建了一套基于線陣相機(jī)的緊固件檢測系統(tǒng)，旨在解決汽車底盤和車身合裝過程中因?yàn)榫o固件缺少或錯誤而導(dǎo)致整車返修的問題，該系統(tǒng)在工程項(xiàng)目中開展了應(yīng)用，應(yīng)用效果顯著，有效解決了影響自動合裝成功率的關(guān)鍵難題。

2 視覺系統(tǒng)方案

機(jī)器視覺是利用相機(jī)成像技術(shù)做測量和判斷，相機(jī)將被測目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，將像素分布、亮度和顏色等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)需求提取目標(biāo)位置、角度、數(shù)量等特征，根據(jù)特征測算出被檢測指標(biāo)是否在允許范圍內(nèi)。典型的視覺系統(tǒng)包含相機(jī)、鏡頭、光源、采集卡、計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件等，如圖2所示。

工業(yè)相機(jī)根據(jù)內(nèi)部光敏器件的類型可分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)，光敏元件排列成二維陣列就是面陣相機(jī)，光敏元件排列成一維陣列就是線陣相機(jī)，如圖3所示。常見汽車底盤上的緊固件分布在長度約5米、寬度約2米的范圍內(nèi)，如果采用面陣方案需要選擇多個大視野的相機(jī)來完成，成本較高，底盤零件多樣，高度參差不齊，面陣相機(jī)的拍照高度收到制約，適應(yīng)性較差，因此采用線陣方案。

線陣方案主要由工業(yè)機(jī)器人、三維線掃相機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和視覺處理軟件組成，三維線掃相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人法蘭上，對底盤緊固件進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞到計(jì)算機(jī)的視覺處理軟件中，視覺處理軟件通過預(yù)處理、定位識別、特征提取和測量，將結(jié)果發(fā)送給上位系統(tǒng)，如果檢測到有螺栓缺失或差錯的情況，通知現(xiàn)場操作人員進(jìn)行螺栓補(bǔ)充或替換，如圖4所示。

該系統(tǒng)涉及PLC、機(jī)器人、視覺和MES四種控制系統(tǒng)，其中，機(jī)器人和PLC之間有交互實(shí)時性的要求，采用Profinet通訊協(xié)議，機(jī)器人和視覺系統(tǒng)、PLC和MES系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和MES系統(tǒng)僅是進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，采用成本較低的TCP/IP通訊協(xié)議，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖5。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括機(jī)器人部分和視覺部分：機(jī)器人部分包含了工作循環(huán)的全部邏輯，為適應(yīng)多車型共線生產(chǎn)，每個車型設(shè)置一個測量程序，測量程序中包含了機(jī)器人運(yùn)動軌跡、相機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判斷和干涉區(qū)交互等功能，其主要邏輯是機(jī)器人在獲得上位機(jī)PLC的允許進(jìn)入掃描區(qū)域信號后，機(jī)器人會運(yùn)動到掃描區(qū)域起點(diǎn)位置，向視覺系統(tǒng)發(fā)送信號。視覺系統(tǒng)收到信號后會開啟掃描激光，同時向機(jī)器人反饋激光已經(jīng)開啟掃描信號，機(jī)器人在收到激光開啟信號后，按照預(yù)設(shè)速度運(yùn)動，同時將運(yùn)動速度實(shí)時反饋給視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動速度調(diào)整相機(jī)的掃描頻率，機(jī)器人運(yùn)動到終點(diǎn)后會向視覺系統(tǒng)發(fā)送終止取圖指令。視覺系統(tǒng)收到終止取圖指令后會對圖像進(jìn)行處理，將檢測到的螺栓的狀態(tài)顯示到主界面中，同時將結(jié)果反饋給機(jī)器人和上位系統(tǒng)PLC，軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯流程圖見圖6。

視覺系統(tǒng)軟件該系統(tǒng)軟件基于Cognex VisionPro軟件開發(fā)而成，Vision Pro是基于PC架構(gòu)的視覺系統(tǒng)軟件開發(fā)包，集成了用于定位、檢測、識別和通訊的工具庫，可用C#、VB、C++等語言進(jìn)行二次開發(fā)，其提供了高效的圖像處理和分析算法，可滿足工業(yè)環(huán)境的實(shí)時性要求。

視覺系統(tǒng)軟件包含數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通訊模塊。

數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊包含CogAcqFifo

Tool、CogIPOneImageTool和Cog3DVisionData-RerenderTool三個工具，其中CogAcqFifoTool的作用是配置相機(jī)設(shè)備、圖像格式、觸發(fā)信號和圖像校準(zhǔn)，CogIPOneImageTool的作用是補(bǔ)齊丟失像素，Cog3DVisionDataRerenderTool的作用是進(jìn)行三維圖像渲染。

圖像處理模塊包含CogPixelMapTool、CogPMAlignTool、CogFixtureTool、CogCopyRegionTool和CogBlobTool四個工具，其中CogPixelMapTool的作用是通過映射函數(shù)實(shí)現(xiàn)將圖像中的像素映射到新的位置，CogPMAlignTool和CogFixtureTool的作用是實(shí)現(xiàn)圖像的位置糾偏和重新定位，CogCopyRegionTool的作用是截取圖像中的目標(biāo)區(qū)域至新的圖像中，CogBlobTool的作用是尋找螺栓特征，見圖7。

數(shù)據(jù)顯示模塊可將檢測結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面，方便操作人員查看檢測狀態(tài)，操作人員可以通過顯示界面查看單個螺栓的圖像，如圖8所示。

視覺系統(tǒng)設(shè)置有歷史數(shù)據(jù)追溯界面，用戶可以通過該界面進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的追溯并將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CSV格式文件，以便質(zhì)量控制。

數(shù)據(jù)存儲和通訊模塊的作用是將采集到的圖像源數(shù)據(jù)、檢測結(jié)果存儲在本地文件中，將檢測結(jié)果上傳至上位機(jī)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在工程現(xiàn)場開展了應(yīng)用，采用兩臺工業(yè)機(jī)器人分別攜帶一套線陣相機(jī)，分別對半個車身的螺栓狀態(tài)掃描的技術(shù)方案，如圖9所示。該系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，合裝成功率提高了25%，因螺栓錯、漏裝原因?qū)е碌姆敌蘼式档土?5%。

4 結(jié)論

本文基于線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)了底盤緊固件檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，結(jié)論如下。

（1）采用機(jī)器人加線陣相機(jī)的方案，充分利用了運(yùn)動系統(tǒng)負(fù)責(zé)運(yùn)動和視覺系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集圖像的優(yōu)勢，可同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和柔性化生產(chǎn)線需求。

（2）該系統(tǒng)已經(jīng)在生產(chǎn)線上開展了工程應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，檢測效果顯著，大大降低了由于緊固件缺失或漏放導(dǎo)致的合裝不良現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期的項(xiàng)目檢測工藝要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)星，陳平，古加能，等.淺談汽車總裝整體式靜止合裝工藝[J].汽車零部件，2019，2：70-73.