伴隨新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)碰撞、融合，視覺技術(shù)無疑是建造智慧工廠不可或缺的一環(huán)。基于視覺技術(shù)在白車身制造過程中的實際應(yīng)用，簡析其工作原理，探討應(yīng)用價值和微觀應(yīng)用場景，展望宏觀發(fā)展方向并為視覺技術(shù)的實際應(yīng)用提供借鑒和參考。
1 序言
在數(shù)字化、智能制造和工業(yè)4.0的時代背景下，市場競爭日趨激烈，用戶需求快速更新迭代，自動化和柔性化成為了汽車工業(yè)亟需突破的重點課題。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機器人周邊環(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由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計學(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器人的實際位置聯(lián)系起來，完成機器人的自主導(dǎo)航定位功能。
本文重點關(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工件進(jìn)行拍照和解算，引導(dǎo)機器人修正軌跡，實現(xiàn)自動、智能抓取和焊接；視覺傳感器借助RGB三色光源應(yīng)對不同檢測場景，實時檢測涂膠質(zhì)量；2D視覺檢測和3D激光測量相結(jié)合，實現(xiàn)對車身特征三維空間尺寸測量等在白車身制造過程中的應(yīng)用與實踐，為汽車工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造積累經(jīng)驗。
2 視覺技術(shù)在機器人抓取引導(dǎo)中的應(yīng)用
白車身制造過程中工件在線體內(nèi)的自動運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，自動引導(dǎo)車）馱運器具運輸，其精度都遠(yuǎn)達(dá)不到工裝的等級，因此機器人無法正常抓取工件。應(yīng)用視覺技術(shù)輔助機器人定位，可以實現(xiàn)機器人軌跡自適應(yīng)，精準(zhǔn)完成抓取動作。
2.1 基本原理
將視覺引導(dǎo)傳感器集成到機器人上，當(dāng)機器人運動到尋件位置后，攝像頭對工件進(jìn)行拍照，并對工件上的特征點進(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三個方向的移動，還有基于X、Y、Z軸向的旋轉(zhuǎn)）變化量，并將信號反饋給機器人，從而修正機器人軌跡[1]。
2.2 實際應(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器人、抓具上（見圖1），或者固定安裝，對視覺傳感器進(jìn)行采圖示教。機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)用價值
視覺引導(dǎo)機器人自動抓取在很大程度上降低了料車或器具的設(shè)計和制造難度，更能很好地適配AGV運輸，實現(xiàn)無人搬運的智能工廠。
3 視覺技術(shù)在涂膠檢測中的應(yīng)用
涂膠作為白車身制造過程中的一種重要連接工藝，具有機械連接（如鉚接等）、固態(tài)連接（點焊、摩擦焊等）不可替代的優(yōu)勢：①可以有效連接金屬與非金屬；②不會產(chǎn)生機械連接的應(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)檢測方式是采用人工抽檢，缺點是操作性差、樣本量少，有缺陷流出風(fēng)險。
3.1 基本原理
涂膠視覺傳感器（見圖2）由光源和相機構(gòu)成，實時拍攝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，并設(shè)置區(qū)段檢測參數(shù)。最后軟件算法調(diào)用不同區(qū)段的骨架點和檢測參數(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)。
圖2 涂膠視覺傳感器
3.2 實際應(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。工藝人員對膠條參數(shù)進(jìn)行示教，實際生產(chǎn)過程中涂膠檢測設(shè)備實時對涂膠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，每個工件的涂膠檢測結(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，控制器會報警，并在控制器中顯示警告項的失效類型、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 涂膠視覺檢測過程
3.3 應(yīng)用價值
在白車身制造過程中，涂膠過程的質(zhì)量控制對于整車的強度、密封性和面品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。實際生產(chǎn)過程中，對于涂膠質(zhì)量的檢測手段一般采用對關(guān)鍵位置進(jìn)行人工測量。視覺技術(shù)的應(yīng)用不僅能檢測關(guān)鍵幀，而且能做到實時全過程覆蓋，不占用生產(chǎn)線節(jié)拍，從而可有效提高生產(chǎn)線的自動化率、質(zhì)量控制等級和數(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、打開時間占用節(jié)拍；方式二占用節(jié)拍時間短，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點或面接觸，消除3個自由度；再通過次基準(zhǔn)定位，2點或線接觸，消除2個自由度；最后第三基準(zhǔn)控制工件的旋轉(zhuǎn)，選取1點，消除1個自由度。至此，限制了工件在三維空間中的6個自由度，完成定位。視覺相機依據(jù)“3-2-1”定位原則對選取的特征點進(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)而對機器人運動進(jìn)行誤差補償。
4.2 實際應(yīng)用
視覺定位系統(tǒng)由4個相機模塊組成，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個相機即可滿足定位精度，第4個相機作為冗余設(shè)計。在地板線和主焊線的補焊工位應(yīng)用視覺定位時，根據(jù)“3-2-1”定位原則，選取工件的3個RPS點或至少1個3D特征（如孔、凹槽等）、1個2D特征（如棱線、邊界等）和1個特征面，調(diào)試時對視覺傳感器進(jìn)行采圖示教并對機器人進(jìn)行手眼標(biāo)定，在視覺系統(tǒng)與被引導(dǎo)機器人之間完成通信配置后可實現(xiàn)視覺定位。
圖4 視覺傳感器位置布局
4.3 應(yīng)用價值
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間，可增加純工藝時間4～8s，從而提高機器人利用率；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)相機并進(jìn)行快速標(biāo)定；車型柔性化高，可兼容不同平臺、尺寸差異大的車型[2]。
5 視覺技術(shù)在尺寸測量中的應(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。對車身尺寸進(jìn)行控制，首先要對制造過程的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測采樣，數(shù)據(jù)的跟蹤是實現(xiàn)整車裝配過程監(jiān)控的基礎(chǔ)，檢測方法決定了車身裝配過程監(jiān)控的精確性和有效性。
目前，白車身骨架尺寸測量常用的方法是三坐標(biāo)檢測，其具有較高的精度和柔性，但是只能定期進(jìn)行離線檢測，對于問題的暴露和解決具有延時性。
5.1 基本原理
白車身尺寸在線測量系統(tǒng)是基于視覺檢測技術(shù)和3D激光測量技術(shù)的非接觸式測量。在設(shè)定好的照明條件下，利用線型激光照射至被測物體特征位置表面產(chǎn)生光條，激光位移傳感器對光條進(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，采用CCD（Charge CoupledDevice）陣列相機拍攝2D圖像，控制器對圖像處理算法得到特征的二維坐標(biāo)值，再通過三角測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)，以實現(xiàn)對白車身尺寸的精確測量。
5.2 實際應(yīng)用
白車身尺寸在線測量系統(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。如圖5所示，現(xiàn)場根據(jù)生產(chǎn)線節(jié)拍布局4～6個在線測量機器人，覆蓋工件全部特征關(guān)鍵點。視覺在線測量系統(tǒng)可以實時監(jiān)控車身尺寸波動，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以對單點尺寸超差、多點關(guān)聯(lián)超差報警，并對尺寸波動預(yù)警等，及時監(jiān)控數(shù)據(jù)的突變、均值波動和均值飄移等，并對測點數(shù)據(jù)形成測量報告。
圖5 在線測量工位機器人站位
5.3 應(yīng)用價值
在白車身制造過程中，在線視覺檢測不僅可以實現(xiàn)高度柔性化，無需離線，而且搭載溫度補償系統(tǒng)還可以消除車身坐標(biāo)系下測量結(jié)果的偏差。視覺在線檢測系統(tǒng)不僅可以在全過程實時覆蓋車身尺寸在線的同時記錄每輛車的“個人信息”，為質(zhì)量溯源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，而且還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化、可視化分析處理，實現(xiàn)過程監(jiān)控數(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，首先對于生產(chǎn)線的柔性化和自動化有所提升，其次代替不符合人機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)合計算機技術(shù)、光電傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)，將助力焊裝機器人實現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境識別、過程決策、缺陷預(yù)防、過程動態(tài)監(jiān)控，構(gòu)建自動化、柔性化智能焊裝工廠。
（轉(zhuǎn)載）
