近年來(lái), 隨著機(jī)器視覺(jué)的迅速發(fā)展, 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的快速性、精確性、智能化特性已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的各行各業(yè)中。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng), 其同時(shí)集成軟硬件, 能夠自動(dòng)地從所采集到的圖像中獲取信息或產(chǎn)生控制動(dòng)作。簡(jiǎn)言之, 就是用計(jì)算機(jī)模擬人眼的視覺(jué)功能, 從圖像或圖像序列中提取信息, 進(jìn)行處理并加以理解, 最終用于檢測(cè)、測(cè)量和控制。典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用攝像機(jī)采集被測(cè)目標(biāo)的圖像信息, 然后將模擬圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)傳送給上位機(jī)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng), 處理系統(tǒng)中會(huì)根據(jù)圖片的像素分布、亮度、標(biāo)志點(diǎn)和顏色等信息, 運(yùn)算出被測(cè)目標(biāo)的位姿和形態(tài)等信息, 最后根據(jù)測(cè)試得到的信息控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行響應(yīng)的操作。
機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛, 主要有三個(gè)功能:視覺(jué)測(cè)量、視覺(jué)引導(dǎo)和視覺(jué)檢測(cè)。視覺(jué)測(cè)量針對(duì)的是精度要求較高的一些零部件, 精度要求為毫米級(jí)甚至為微米級(jí)，使用人的肉眼無(wú)法完成必須使用機(jī)器完成, 如對(duì)高精度螺紋螺孔的尺寸需要通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的方式進(jìn)行測(cè)量, 保證連接的間隙和精度；視覺(jué)引導(dǎo)是要求機(jī)器視覺(jué)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測(cè)零件, 并確認(rèn)其位置, 引導(dǎo)機(jī)器人機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取，如視覺(jué)引導(dǎo)隨機(jī)抓件, 通過(guò)掃描工具箱內(nèi)隨機(jī)分布的零件得到三維圖像, 采用模式識(shí)別的方式, 在三維圖像中獲取機(jī)械臂抓取工件的最佳點(diǎn), 引導(dǎo)抓取實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn); 視覺(jué)檢測(cè)是使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題, 對(duì)其美觀度、舒適度和使用性能進(jìn)行檢測(cè)，是取代人工最多的環(huán)節(jié)。機(jī)器視覺(jué)極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)中的柔性和自動(dòng)化程度，并且能夠在危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中完成一些人工難以完成的工作, 在大批量的生產(chǎn)中極大地減少了人工的使用, 并提高和保證了生產(chǎn)的質(zhì)量。
值得指出的是, 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)典型代表的汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用已十分廣泛, 本文也將以汽車(chē)制造業(yè)為例, 重點(diǎn)講述機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在現(xiàn)代汽車(chē)制造中的典型應(yīng)用。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)用, 極大地提高了工藝的操作質(zhì)量和效率, 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。其已成功地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外許多汽車(chē)主機(jī)廠, 包括車(chē)輛及零部件自動(dòng)檢測(cè)、零件三維定位、車(chē)身組裝/加工, 零件追溯等。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用已貫穿了整個(gè)汽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程, 包括從初始原料質(zhì)量檢測(cè)發(fā)展到汽車(chē)零部件100%在線測(cè)量, 再對(duì)制造過(guò)程中的焊接、涂膠、沖孔等工藝過(guò)程進(jìn)行把控, 最后對(duì)車(chē)身總成、出廠的整車(chē)質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)。
視覺(jué)測(cè)量
隨著視覺(jué)非接觸測(cè)量技術(shù)引入至車(chē)身質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié), 逐漸發(fā)展了固定式在線測(cè)量站與機(jī)器人柔性在線測(cè)量站等在線測(cè)量系統(tǒng), 可嚴(yán)格監(jiān)控車(chē)身尺寸波動(dòng), 為生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持, 車(chē)身測(cè)量實(shí)現(xiàn)了離線測(cè)量至100%在線測(cè)量的轉(zhuǎn)變; 除傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量、激光在線測(cè)量之外, 藍(lán)光掃描測(cè)量、表面缺陷測(cè)量等視覺(jué)測(cè)量方法也逐漸成為汽車(chē)質(zhì)量把控的重要手段, 這些測(cè)量方式可進(jìn)行更加精細(xì)的測(cè)量, 可對(duì)車(chē)身基本特征尺寸、車(chē)體的裝配效果、缺陷等問(wèn)題提供高效高精度的監(jiān)控。目前, 多種監(jiān)控測(cè)量手段互相結(jié)合, 可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身從零件、部件, 以及整車(chē)的全程監(jiān)控測(cè)量, 確保生產(chǎn)零件零缺陷、整車(chē)制造質(zhì)量得到保障, 同時(shí)機(jī)器視覺(jué)的引入使得汽車(chē)生產(chǎn)更加智能, 不僅實(shí)現(xiàn)了車(chē)身尺寸的測(cè)量, 而且基于測(cè)量數(shù)據(jù)可以對(duì)汽車(chē)進(jìn)行細(xì)致多樣的分析并自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)告, 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。
激光在線測(cè)量
汽車(chē)白車(chē)身是轎車(chē)所有零部件的基本載體, 白車(chē)身的制造尺寸精度直接影響汽車(chē)車(chē)身外形、氣動(dòng)性能, 以及制造成本等, 因此, 對(duì)尺寸控制機(jī)構(gòu)的制造是提高車(chē)身質(zhì)量的必要條件之一, 車(chē)身尺寸的先進(jìn)檢測(cè)方法是控制汽車(chē)制造尺寸精度的關(guān)鍵手段。激光在線測(cè)量技術(shù)基于三角測(cè)量原理, 其利用線狀激光構(gòu)造被測(cè)特征, 結(jié)合有效的照明, 獲得被測(cè)特征的表面信息, 相機(jī)拍攝特征圖像, 通過(guò)圖像處理技術(shù)得到被測(cè)特征在圖像上的二維(2D)坐標(biāo), 再通過(guò)三角測(cè)量模型將2D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為傳感器坐標(biāo)系下的三維(3D)空間坐標(biāo)。在線測(cè)量技術(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可分為固定式在線測(cè)量系統(tǒng)與機(jī)器人柔性在線測(cè)量系統(tǒng)，固定式在線測(cè)量系統(tǒng)包含多個(gè)測(cè)量傳感器, 每個(gè)傳感器的位置固定, 傳感器在各自的坐標(biāo)系(傳感器坐標(biāo)系)中進(jìn)行測(cè)量, 得到被測(cè)點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo), 最后通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)一將被測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果系轉(zhuǎn)換至車(chē)身坐標(biāo)系下, 從而完成測(cè)量。機(jī)器人柔性在線測(cè)量系統(tǒng)由多自由度的工業(yè)機(jī)器人與安裝在機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的柔性傳感器組成。當(dāng)機(jī)器人接收到測(cè)量信號(hào)的開(kāi)始時(shí), 根據(jù)預(yù)先計(jì)劃的測(cè)量路徑驅(qū)動(dòng)視覺(jué)傳感器的運(yùn)動(dòng), 并將測(cè)量點(diǎn)依次進(jìn)入傳感器的測(cè)量區(qū)域, 由視覺(jué)傳感器和測(cè)量主機(jī)完成測(cè)量。機(jī)器人柔性在線測(cè)量系統(tǒng)較為靈活, 可以測(cè)量車(chē)身上機(jī)器人可以到達(dá)的特征, 固定式在線測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量固定有限范圍, 適用于測(cè)量機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的特征(如底板上的特征)。
藍(lán)光掃描測(cè)量
在汽車(chē)生產(chǎn)中, 形貌測(cè)量是產(chǎn)品質(zhì)量控制中的重要部分。汽車(chē)車(chē)身外覆蓋件的形貌精度直接影響了汽車(chē)部件可裝配性和氣密性, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)身外覆蓋件的尺寸與形貌異?？梢源蟠蠼档统鰪S產(chǎn)品的缺陷率, 對(duì)車(chē)身外覆蓋件的精密獲取還能反映沖壓工序中模具的工作狀態(tài)和壽命。
藍(lán)光掃描技術(shù)可獲得高密度的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)對(duì)復(fù)雜曲面多變的形貌特征與曲率變化, 有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的精細(xì)化測(cè)量, 其掃描測(cè)量精度可以達(dá)到±0.02 mm, 在單幅0.5 m范圍內(nèi)可以獲得上千萬(wàn)個(gè)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)采用高精度拼接技術(shù), 藍(lán)光掃描測(cè)量可以有效統(tǒng)一局部測(cè)量數(shù)據(jù)至全局坐標(biāo)系下, 滿足大型構(gòu)件測(cè)量范圍的要求, 與此同時(shí), 通過(guò)結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái), 可以提高測(cè)量效率與自動(dòng)化水平, 實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)工作, 基于這些特點(diǎn), 可以對(duì)車(chē)身零部件及整車(chē)進(jìn)行非常細(xì)致的質(zhì)量評(píng)價(jià), 包括表面形貌評(píng)價(jià)和局部特征評(píng)價(jià)。
表面質(zhì)量檢測(cè)
汽車(chē)涂裝是汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié), 車(chē)身噴涂不僅可以提供外觀裝飾, 而且可以對(duì)車(chē)身表面進(jìn)行保護(hù)。然而, 在實(shí)際的涂裝生產(chǎn)中, 由于涂裝車(chē)間環(huán)境的影響, 油漆的質(zhì)量和涂裝工藝的不同, 使得涂膜的車(chē)體很容易產(chǎn)生不同類(lèi)型的缺陷，比如雜質(zhì)、噴涂污染等典型表面瑕疵, 如何準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)表面涂裝質(zhì)量自動(dòng)化測(cè)量極其關(guān)鍵。
為提升效率、減少人工, 基于機(jī)器視覺(jué)的汽車(chē)表面質(zhì)量測(cè)量已開(kāi)始應(yīng)用在汽車(chē)涂裝檢測(cè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)人工目視測(cè)量相比, 視覺(jué)表面質(zhì)量測(cè)量采用全自動(dòng)檢測(cè), 具有極高的敏感度和大視野, 可高效、高精度、全方位的對(duì)汽車(chē)涂裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè), 最大限度的避免整車(chē)返工。
視覺(jué)引導(dǎo)
視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)結(jié)合了多種視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理, 旨在為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)機(jī)器人安裝“眼睛”。視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)將突破機(jī)器人只能單純地重復(fù)示教軌跡的限制, 使其能根據(jù)被操作工件的變化實(shí)時(shí)調(diào)整工作軌跡, 提升機(jī)器人智能水平, 促進(jìn)生產(chǎn)效率, 提高生產(chǎn)質(zhì)量, 比如通過(guò)引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)上下料和引導(dǎo)物流及輸送設(shè)備定位等。后來(lái), 視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)逐漸滲透到汽車(chē)制造的全過(guò)程, 比如引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行最佳匹配安裝、精確制孔、焊縫引導(dǎo)及跟蹤、噴涂引導(dǎo)、風(fēng)擋玻璃裝載引導(dǎo)等, 目前, 視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)在汽車(chē)制造過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 對(duì)汽車(chē)制造往智能化方向發(fā)展發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
視覺(jué)引導(dǎo)抓取
汽車(chē)制造中的焊裝工藝主要是將各類(lèi)零部件通過(guò)焊接、膠粘等連接工藝組裝成各類(lèi)分總成, 再將各分總成裝配成一個(gè)白車(chē)身總成。車(chē)身車(chē)間的上件模式主要分為人工上件, 超高精度料箱上件, 視覺(jué)引導(dǎo)抓取上件。視覺(jué)引導(dǎo)抓取方法將機(jī)器人與視覺(jué)測(cè)量相結(jié)合, 突破機(jī)器人只能單純地重復(fù)示教軌跡的限制, 使其能根據(jù)被操作工件的位置變化實(shí)時(shí)調(diào)整其工作軌跡, 準(zhǔn)確抓取工件, 直接提升整個(gè)車(chē)身制造過(guò)程的自動(dòng)化效率。
視覺(jué)引導(dǎo)抓取方法中, 需要在機(jī)器人上分別集成測(cè)距傳感器與視覺(jué)傳感器并標(biāo)定, 抓取時(shí)首先讀取測(cè)距儀數(shù)值實(shí)時(shí)感知零件與機(jī)器人相對(duì)位置, 引導(dǎo)機(jī)器人接近料箱; 其次通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)料箱內(nèi)配件拍照, 結(jié)合零件自身特征(例如孔、角點(diǎn)等)的三維信息, 實(shí)現(xiàn)零件相對(duì)于初始狀態(tài)的6自由度(3方向位置及3方向旋轉(zhuǎn)角度)精確定位, 繼而計(jì)算工件位置及角度的偏移, 反饋修正取件機(jī)器人的抓取軌跡。
視覺(jué)引導(dǎo)裝配
基于視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人自動(dòng)裝配已成為車(chē)身裝配的主流發(fā)展方向, 其將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人結(jié)合起來(lái), 通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人, 實(shí)現(xiàn)汽車(chē)配件高精度安裝, 極大地提高了環(huán)境適應(yīng)能力以及智能化程度。在機(jī)器人裝配過(guò)程中, 只有考慮到視覺(jué)導(dǎo)引和定位技術(shù)的裝配要求, 才能充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì), 提高機(jī)器人抓取和放置的精度。
視覺(jué)引導(dǎo)裝配與視覺(jué)引導(dǎo)抓取不同, 其需要高精度保證配件與車(chē)身相對(duì)位姿的一致性, 故視覺(jué)引導(dǎo)裝配系統(tǒng)需要配置多個(gè)激光視覺(jué)傳感器。
視覺(jué)引導(dǎo)加工
視覺(jué)引導(dǎo)加工是指利用視覺(jué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量每臺(tái)車(chē)的特定區(qū)域尺寸信息, 并根據(jù)其實(shí)際狀態(tài)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行精確切割、制孔、打磨等。激光加工技術(shù)具有先進(jìn)、快速、靈活, 以及準(zhǔn)確的特點(diǎn), 如激光焊接、激光切割等技術(shù)在汽車(chē)制造中應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 將機(jī)器人、激光加工技術(shù), 以及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合在一起可以充分利用各自的優(yōu)勢(shì), 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高精度加工。
視覺(jué)檢測(cè)
如今的產(chǎn)品生產(chǎn)、檢測(cè)與機(jī)器視覺(jué)緊密相關(guān)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行制造工藝檢測(cè)、自動(dòng)化跟蹤、追溯與控制等。其中具體包括通過(guò)光學(xué)字符識(shí)別(OCR)技術(shù)獲取車(chē)身零件編碼以保證零件在整個(gè)制造過(guò)程中的可追溯性, 通過(guò)識(shí)別零件的存在或缺失以保證部件裝配的完整性, 以及通過(guò)視覺(jué)技術(shù)識(shí)別產(chǎn)品表面缺陷或加工工具是否存在缺陷以保證生產(chǎn)質(zhì)量。
制造工藝檢測(cè)
車(chē)身制造過(guò)程中大量使用了焊接、膠粘等連接工藝, 膠粘工藝可以起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、緊固隔振、密封保護(hù)等作用。涂膠環(huán)節(jié)由于其工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度高、運(yùn)動(dòng)精度高, 以及穩(wěn)定性好, 涂膠工藝逐漸由手工涂膠改為機(jī)器人涂膠, 涂膠自動(dòng)化已逐漸成為一種趨勢(shì)。
當(dāng)前基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)的涂膠檢測(cè)工藝, 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)邊涂邊檢。涂膠檢測(cè)時(shí), 提前將膠槍與視覺(jué)傳感器等檢測(cè)裝備同時(shí)固定在機(jī)器人上, 視覺(jué)傳感器工作視場(chǎng)調(diào)整至涂膠區(qū)域處, 視覺(jué)傳感器跟隨膠槍一起完成涂膠動(dòng)作, 在此過(guò)程中, 視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)采集涂膠圖像供后續(xù)處理分析使用。之后, 通過(guò)圖像處理方法對(duì)采集到的膠條照片進(jìn)行檢測(cè)與分析, 保證涂膠質(zhì)量與涂膠的連續(xù)性。
焊接在結(jié)構(gòu)件成形中扮演了非常重要的角色, 對(duì)焊后的焊縫進(jìn)行拋磨是消除焊接材料內(nèi)部應(yīng)力, 生成光滑的焊接表面的關(guān)鍵技術(shù)。然而, 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要依靠人工通過(guò)肉眼觀察焊縫外觀, 勞動(dòng)效率低且檢測(cè)會(huì)引入人眼誤差。視覺(jué)檢測(cè)的出現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主拋磨焊縫質(zhì)量的評(píng)價(jià), 其良好的穩(wěn)定性、高效率等特性必將取代傳統(tǒng)的人工視覺(jué)探測(cè)方法。
焊縫余高以及熔寬是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素, 目前應(yīng)用最廣泛的是線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)與工業(yè)機(jī)器人的組合, 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人上, 通過(guò)示教后的機(jī)器人跟蹤整條焊縫并用視覺(jué)傳感器拍攝焊縫信息。但由于焊接過(guò)程中的飛濺、弧光、甚至高溫等干擾因素的存在, 焊縫引導(dǎo)及焊縫跟蹤對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的防護(hù)功能提出很高的要求, 通過(guò)圖像處理算法對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行特征分析提取, 準(zhǔn)確獲取焊縫余高以及熔寬。
在焊縫檢測(cè)過(guò)程中, 首先為機(jī)器人自動(dòng)拋磨焊縫提供有關(guān)參數(shù), 規(guī)劃?rùn)C(jī)器人磨拋路徑, 帶動(dòng)焊槍與視覺(jué)傳感器協(xié)同運(yùn)動(dòng), 與此同時(shí)通過(guò)線結(jié)構(gòu)光傳感器基于三角測(cè)量法計(jì)算得到相應(yīng)位置的焊縫余高以及熔寬信息, 高速處理拍攝的圖像, 提取焊縫余高以及熔寬信息, 對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià), 實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的智能化和柔性化。但由于焊接過(guò)程中的外界干擾問(wèn)題, 視覺(jué)傳感器需要增加防護(hù)功能, 滿足一定防護(hù)等級(jí), 并能夠防飛濺和自我冷卻。
存在/缺失檢測(cè)
機(jī)器視覺(jué)同樣可應(yīng)用于汽車(chē)零部件質(zhì)量檢測(cè)、相關(guān)標(biāo)志識(shí)別等, 其有助于提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)自動(dòng)化程度以及提高作業(yè)過(guò)程的可靠性與可追溯性。具體應(yīng)用包括類(lèi)型識(shí)別與防錯(cuò), 例如頂蓋類(lèi)型識(shí)別、橫梁、前蓋類(lèi)型防錯(cuò); 存在/缺失檢測(cè)以保證零件的完整性, 例如螺柱完整性檢測(cè); 視覺(jué)讀碼以保證零件在整個(gè)制造過(guò)程中或整個(gè)生命周期內(nèi)的可追溯性。
在汽車(chē)制造中, 視覺(jué)讀碼可以實(shí)現(xiàn)零件缺失追蹤、缺陷行為追蹤、裝配錯(cuò)誤行為證明等多種功能。例如輪胎企業(yè)對(duì)每個(gè)輪胎做追溯管理都需要使用硫化標(biāo)簽, 并且進(jìn)行全面的跟蹤, 主要的方法是在輪胎半徑內(nèi)的任意范圍內(nèi)粘貼一維標(biāo)簽條形碼, 輪胎的可追溯性是企業(yè)內(nèi)部制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的重要組成部分, 客戶(hù)要求產(chǎn)品能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以任意角度準(zhǔn)確地讀取條碼，而基于高性能的一維視覺(jué)傳感器可以高速采集標(biāo)簽條碼, 并配合圖像處理算法進(jìn)行標(biāo)簽碼的識(shí)別。
