焦楊 方志彬 劉繼成 梁進(jìn)城 楊偉 聞向陽(yáng)

（長(zhǎng)春富維安道拓汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，長(zhǎng)春130033）

1 前言

智能視覺(jué)技術(shù)是人工智能技術(shù)的1個(gè)分支，就是用視覺(jué)設(shè)備代替人眼完成測(cè)量、檢查、引導(dǎo)、識(shí)別等功能，實(shí)現(xiàn)減少人工、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、對(duì)接信息化智能化建設(shè)等。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的主要組成部分包括光源、視覺(jué)相機(jī)、圖像處理器、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等[1]。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)作為工業(yè)技術(shù)中的1個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，涉及到圖像處理、數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換、機(jī)械工程、自動(dòng)化檢測(cè)、光源設(shè)計(jì)、圖像傳感器技術(shù)、模擬電子信號(hào)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、人機(jī)協(xié)同技術(shù)等，每1項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)影響到視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步[2]，其中母子圖像傳感器、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）和電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）攝像機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process?ing，DSP）、ARM嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了智能視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展。智能視覺(jué)技術(shù)主要分為3類(lèi)：?jiǎn)文恳曈X(jué)技術(shù)、雙目視覺(jué)和多目視覺(jué)，其中單目視覺(jué)即安裝單個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，一般只能獲取到二維圖像，主要應(yīng)用在智能機(jī)器人領(lǐng)域。雙目視覺(jué)技術(shù)是1種模擬人類(lèi)雙眼處理環(huán)境信息的方式，通過(guò)2個(gè)攝像機(jī)從外界采集一幅或者多幅不同視角的圖像，從而建立被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。多目視覺(jué)技術(shù)采用了多個(gè)攝像機(jī)以減少盲區(qū)，降低錯(cuò)誤檢測(cè)的機(jī)率。

本文主要探索智能視覺(jué)技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)飾生產(chǎn)中的研發(fā)應(yīng)用，如在汽車(chē)內(nèi)飾儀表板裝配、鑲嵌注塑、座椅裝配等生產(chǎn)過(guò)程采用智能視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)、引導(dǎo)、糾偏等功能，通過(guò)應(yīng)用智能視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，不但減少了檢測(cè)的操作人員，同時(shí)將誤檢率降到“0”，通過(guò)應(yīng)用智能視覺(jué)技術(shù)中的引導(dǎo)與糾偏功能，提升了自動(dòng)化應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況環(huán)境的能力和設(shè)備層的智能化水平。

2 智能視覺(jué)技術(shù)在儀表板金屬件裝配及檢測(cè)工序的應(yīng)用

在應(yīng)用智能視覺(jué)技術(shù)時(shí)，應(yīng)對(duì)其主要應(yīng)用參數(shù)和技術(shù)過(guò)程了解，如主要技術(shù)參數(shù)有鏡頭焦距（mm）、FOV（視場(chǎng)）、WD（物距）、CCD芯片尺寸、像素單元尺寸、測(cè)量精度等，具體計(jì)算公式如下。

式中，f為焦距；WD為物距；CCD為芯片尺寸；FOV為視場(chǎng)。

像素單元尺寸：如1200×104像素、1/1.7英寸鏡頭（1/1.7英寸鏡頭對(duì)角線(xiàn)尺寸為9.5 mm、靶面寬7.6 mm、靶面高5.7 mm），根據(jù)寬高比為4∶3可以計(jì)算出寬度像素點(diǎn)為4 000，高度像素點(diǎn)為3 000，每個(gè)像素點(diǎn)的大小為CCD芯片尺寸（H or V）/H or V像素點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算為1.9 μm，即像素點(diǎn)大小為1.9 μm×1.9 μm；測(cè)量精度：如視場(chǎng)為530 mm×397.5 mm，分辨率為4 000×3 000，即橫向或縱向測(cè)量精度為0.132 5 mm。

汽車(chē)內(nèi)飾儀表板在裝配過(guò)程會(huì)安裝各類(lèi)型的金屬件，如圖1所示，包含簧片螺母、卡子以及夾片，不同車(chē)型所需安裝的數(shù)量在20～130，圖2為某車(chē)型儀表板各類(lèi)金屬件數(shù)量及位置分布?；善菽赣糜谂浜檄h(huán)境件（如儀表板上的電子件、各類(lèi)裝飾條、出風(fēng)口、各類(lèi)塑料件等）與儀表板本體連接的螺釘，卡子和夾片主要用于環(huán)境件與儀表板本體的卡接。

圖1 儀表板裝配各類(lèi)型金屬件

圖2 儀表板各類(lèi)型金屬件分布

目前儀表板各類(lèi)型金屬件傳統(tǒng)的安裝模式為人工方式，由于數(shù)量多、形狀復(fù)雜尖角多，其中夾片和卡子在安裝時(shí)需要力較大，所以對(duì)操作者的手指?jìng)^大，不符合人機(jī)工程要求。在裝配后的檢測(cè)工位，由于各類(lèi)型金屬件數(shù)量多且分布范圍廣，所以人工檢測(cè)經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤。針對(duì)這種狀態(tài)，開(kāi)發(fā)了儀表板金屬件自動(dòng)安裝及智能檢測(cè)裝置（圖3），主要由機(jī)器人、視覺(jué)糾偏與檢測(cè)裝置、金屬件抓手、固定胎膜與夾緊裝置、震動(dòng)料盤(pán)、控制系統(tǒng)等組成。震動(dòng)料盤(pán)主要負(fù)責(zé)將各類(lèi)型的金屬件進(jìn)行排序，機(jī)器人帶動(dòng)抓手完成金屬件的抓取與安裝、固定胎膜，夾緊裝置主要承擔(dān)儀表板固定作用，視覺(jué)糾偏與檢測(cè)裝置首先完成金屬件裝配前各個(gè)位置的精確掃描，機(jī)器人按照視覺(jué)掃描圖像位置進(jìn)行安裝軌跡調(diào)整，防止出現(xiàn)裝不上現(xiàn)象，同時(shí)肩負(fù)著裝配完成后對(duì)各類(lèi)型金屬件裝配數(shù)量的檢測(cè)功能。多數(shù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中，機(jī)器人的動(dòng)作軌跡需要通過(guò)預(yù)先示教以及離線(xiàn)編程來(lái)指定，加工過(guò)程只是簡(jiǎn)單重復(fù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作，但是當(dāng)工作環(huán)境或者工件的位置、大小發(fā)生微小改變時(shí)，機(jī)器人如果仍按照預(yù)先設(shè)定動(dòng)作行走會(huì)影響加工或裝配的精度，智能視覺(jué)糾偏、引導(dǎo)與定位技術(shù)解決了上述問(wèn)題[3]。本裝置采用了機(jī)器人與智能視覺(jué)糾偏技術(shù)相結(jié)合方式，克服了注塑儀表板骨架微變形的影響，提升了每次安裝金屬件的位置精度，正確安裝率＞99.5%。儀表板金屬件自動(dòng)安裝及智能檢測(cè)裝置的使用，每班減少1名操作者，同時(shí)避免了各類(lèi)型金屬件漏裝。

圖3 儀表板金屬件自動(dòng)安裝及智能檢測(cè)裝置

3 智能視覺(jué)技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)飾儀表板、門(mén)內(nèi)護(hù)板總成檢測(cè)方面的應(yīng)用

智能視覺(jué)目前在汽車(chē)內(nèi)飾儀表板、門(mén)內(nèi)護(hù)板總成的檢測(cè)方面也進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，如儀表板金屬件數(shù)量檢測(cè)、門(mén)內(nèi)護(hù)板總成各種顏色配置檢測(cè)，針對(duì)小批量多品種的生產(chǎn)線(xiàn)研發(fā)了柔性智能視覺(jué)檢測(cè)裝置（圖4），大批量單品種生產(chǎn)線(xiàn)研發(fā)應(yīng)用了固定式智能視覺(jué)裝置（圖5）以更好的匹配生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍。柔性智能視覺(jué)裝置由6軸機(jī)器人（特殊帶第7軸）、視覺(jué)鏡頭、固定胎膜、外罩箱體、控制系統(tǒng)組成，優(yōu)點(diǎn)是可以兼顧多產(chǎn)品，缺點(diǎn)是檢測(cè)節(jié)拍較長(zhǎng)。固定式智能檢測(cè)裝置由多個(gè)視覺(jué)鏡頭、固定胎膜、外罩箱體、控制系統(tǒng)和滑動(dòng)軌道組成，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)拍快，缺點(diǎn)是只能針對(duì)1種固定產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 柔性智能視覺(jué)檢測(cè)裝置

圖5 固定式智能視覺(jué)檢測(cè)裝置

如在大批量單品種汽車(chē)門(mén)內(nèi)護(hù)板總成顏色配置檢測(cè)中我們采用固定式智能視覺(jué)，通過(guò)視覺(jué)拍照結(jié)果與準(zhǔn)時(shí)化訂單信息進(jìn)行匹配，以驗(yàn)證生產(chǎn)裝配過(guò)程是否出現(xiàn)配置錯(cuò)誤的現(xiàn)象，如圖6中汽車(chē)門(mén)內(nèi)護(hù)板的裝飾條和中部插件的顏色識(shí)別?；跈C(jī)器人自動(dòng)裝卡扣與視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，包括6軸機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、線(xiàn)性光源和卡扣安裝夾具。由于儀表板骨架存在微小變形或儀表板擺放后偏移等因素導(dǎo)致機(jī)器人在安裝卡扣時(shí)存在位置變化的情況，為了糾正位置偏差該項(xiàng)目加入了視覺(jué)糾偏功能。

圖6 不同顏色配置的汽車(chē)門(mén)內(nèi)護(hù)板

機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)捕捉安裝夾具與儀表板相對(duì)位置關(guān)系圖像，上位機(jī)處理采集的圖像并計(jì)算出儀表板當(dāng)前位置與模板位置偏差，該偏差數(shù)據(jù)反饋給機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)糾偏系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)硬件由相機(jī)、鏡頭、光源、PLC、上位機(jī)、機(jī)器人組成。軟件主要由VC++6.0、相機(jī)軟件、Wincc Flexi?ble等。

將安裝卡扣中心作為基準(zhǔn)點(diǎn)，偏移量分為X、Y、Z（圖7），模板坐標(biāo)為X1、Y1、Z1，當(dāng)前坐標(biāo)為X2、Y2、Z2，因此偏移量分別為X=X2-X1、Y=Y2-Y1、Z=Z2-Z1。將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到精準(zhǔn)位置進(jìn)行安裝。

圖7 智能視覺(jué)坐標(biāo)系

4 智能視覺(jué)技術(shù)在注塑鑲嵌自動(dòng)化裝置中的應(yīng)用

注塑鑲嵌是汽車(chē)內(nèi)飾生產(chǎn)中常用的注塑工藝，主要用在儀表板氣囊區(qū)域的織物鉸鏈和金屬件注塑鑲嵌，圖8為織物鉸鏈通過(guò)自動(dòng)化裝置掛在模具上的狀態(tài)，圖9為織物鉸鏈和金屬螺母注塑鑲嵌后的成品。所謂鑲嵌注塑是指預(yù)先將嵌件放到模具中，隨后合模注塑成型，開(kāi)模后嵌件被包裹到注塑產(chǎn)品內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)嵌件與注塑件有效結(jié)合。注塑鑲嵌工藝的優(yōu)點(diǎn)有產(chǎn)品一次成型、節(jié)約部分注塑模具、省去了裝配或焊接工序等。在注塑鑲嵌過(guò)程中智能視覺(jué)的作用主要是檢測(cè)織物及金屬件在模具上是否放到位，同時(shí)檢測(cè)成品鑲嵌件的位置是否正確。

圖8 織物鉸鏈掛在注塑模具狀態(tài)

圖9 注塑鑲嵌后的氣囊盒成品

設(shè)計(jì)智能視覺(jué)裝置基于桁架機(jī)器人視覺(jué)的織物檢測(cè)裝置，包括桁架機(jī)械手和安裝在Z軸末端上的工業(yè)相機(jī)、線(xiàn)性光源和織物抓取夾具。工業(yè)相機(jī)的輸入/輸出端分別與中央控制器的輸入/輸出端連接。桁架機(jī)械手在織物平臺(tái)上抓取織物，將織物放入注塑磨具中；采用相機(jī)采集織物的紋理圖像作為基準(zhǔn)模板，選取織物特征為圖像對(duì)比區(qū)域，設(shè)置合理的對(duì)比閾值進(jìn)行判斷織物擺放是否正確，根據(jù)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行報(bào)警或合格輸出，確保織物擺放中無(wú)脫落。由于注塑磨具開(kāi)模后空間有限，因此選用體積較小的基恩士IV2簡(jiǎn)易視覺(jué)相機(jī)，內(nèi)置光源，相機(jī)尺寸44 mm/24 mm/30 mm，相機(jī)配有AI圖像識(shí)別傳感器，光源亮度與對(duì)焦具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”設(shè)定與調(diào)整，穩(wěn)定檢測(cè)。最小安裝距離可實(shí)現(xiàn)WD=20 mm，視野V=7.5 mm，視野H=10 mm（圖10）。

圖10 安裝距離與視野比例

5 智能視覺(jué)技術(shù)在座椅裝配生產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用

汽車(chē)座椅座墊與靠背連接是座椅裝配過(guò)程的關(guān)鍵特性項(xiàng)，要求每側(cè)4個(gè)擰緊螺栓要達(dá)到設(shè)定扭矩值范圍（標(biāo)準(zhǔn)值為45 N·m±4.5 N·m）、擰緊螺栓的順序和角度正確、使用符合標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的螺栓。所以此工位設(shè)計(jì)了座靠自動(dòng)化螺栓擰緊裝置（圖11）完成各連接螺栓的擰緊。座靠自動(dòng)化螺栓擰緊裝置安裝視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)，主要包括FANUC機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、線(xiàn)性光源、PLC和英格索蘭扭矩槍。由于座椅裝配線(xiàn)體在傳輸過(guò)程中定位精度不高，導(dǎo)致座靠連接固定螺母在位置與傾斜角度上會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，如不進(jìn)行引導(dǎo)糾正，扭矩槍會(huì)出現(xiàn)扭矩、傾角等報(bào)警，導(dǎo)致合格率低而增加返修，為了精準(zhǔn)定位該項(xiàng)目加入了視覺(jué)引導(dǎo)功能。機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)捕捉座靠固定螺母位置圖像，相機(jī)軟件計(jì)算出固定螺母位置坐標(biāo)與螺紋導(dǎo)向角度等參數(shù)（圖12），再將數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)安裝。系統(tǒng)軟件主要有VC++6.0、相機(jī)算法軟件、TIA Portal V15等。

圖11 汽車(chē)座椅座靠自動(dòng)化擰緊裝置

圖12 數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能制造的深入推進(jìn)，智能視覺(jué)技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，目前汽車(chē)內(nèi)飾生產(chǎn)行業(yè)多采用二維視覺(jué)技術(shù)，完成單點(diǎn)或多點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)、引導(dǎo)、糾偏等任務(wù)，同時(shí)能與制造執(zhí)行管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成生產(chǎn)一線(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。在二維視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上會(huì)逐步引入三維視覺(jué)技術(shù)，針對(duì)空間多維檢測(cè)、目標(biāo)深度檢測(cè)、高分辨率檢測(cè)等方面進(jìn)行應(yīng)用研發(fā)[4]。伴隨著三維視覺(jué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，其在汽車(chē)內(nèi)飾生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越多，其與二維視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)相輔相成，各自發(fā)揮自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可有效降低制造成本，提升汽車(chē)內(nèi)飾生產(chǎn)的智能化水平，為建設(shè)智能工廠打下基礎(chǔ)。