近年來(lái), 隨著(zhù)機器視覺(jué)的迅速發(fā)展, 機器視覺(jué)技術(shù)的快速性、精確性、智能化特性已廣泛應用到現代工業(yè)的各行各業(yè)中。機器視覺(jué)系統是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統, 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, 就是用計算機模擬人眼的視覺(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、測量和控制。典型的工業(yè)機器視覺(jué)系統使用攝像機采集被測目標的圖像信息, 然后將模擬圖像信息轉換為數字圖像信號傳送給上位機的數字圖像處理系統, 處理系統中會(huì )根據圖片的像素分布、亮度、標志點(diǎn)和顏色等信息, 運算出被測目標的位姿和形態(tài)等信息, 最后根據測試得到的信息控制驅動(dòng)執行器進(jìn)行響應的操作。

機器視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域中的應用廣泛, 主要有三個(gè)功能:視覺(jué)測量、視覺(jué)引導和視覺(jué)檢測。視覺(jué)測量針對的是精度要求較高的一些零部件, 精度要求為毫米級甚至為微米級，使用人的肉眼無(wú)法完成必須使用機器完成, 如對高精度螺紋螺孔的尺寸需要通過(guò)機器視覺(jué)的方式進(jìn)行測量, 保證連接的間隙和精度；視覺(jué)引導是要求機器視覺(jué)能夠快速準確的找到被測零件, 并確認其位置, 引導機器人機械臂準確抓取，如視覺(jué)引導隨機抓件, 通過(guò)掃描工具箱內隨機分布的零件得到三維圖像, 采用模式識別的方式, 在三維圖像中獲取機械臂抓取工件的最佳點(diǎn), 引導抓取實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn); 視覺(jué)檢測是使用機器視覺(jué)系統檢測生產(chǎn)線(xiàn)上的產(chǎn)品有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題, 對其美觀(guān)度、舒適度和使用性能進(jìn)行檢測，是取代人工最多的環(huán)節。機器視覺(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, 機器視覺(jué)技術(shù)在現代工業(yè)典型代表的汽車(chē)工業(yè)中的應用已十分廣泛, 本文也將以汽車(chē)制造業(yè)為例, 重點(diǎn)講述機器視覺(jué)技術(shù)在現代汽車(chē)制造中的典型應用。機器視覺(jué)技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)中的應用, 極大地提高了工藝的操作質(zhì)量和效率, 降低了勞動(dòng)強度。其已成功地應用于國內外許多汽車(chē)主機廠(chǎng), 包括車(chē)輛及零部件自動(dòng)檢測、零件三維定位、車(chē)身組裝/加工, 零件追溯等。機器視覺(jué)技術(shù)的應用已貫穿了整個(gè)汽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程, 包括從初始原料質(zhì)量檢測發(fā)展到汽車(chē)零部件100%在線(xiàn)測量, 再對制造過(guò)程中的焊接、涂膠、沖孔等工藝過(guò)程進(jìn)行把控, 最后對車(chē)身總成、出廠(chǎng)的整車(chē)質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)。

視覺(jué)測量

隨著(zhù)視覺(jué)非接觸測量技術(shù)引入至車(chē)身質(zhì)量監控環(huán)節, 逐漸發(fā)展了固定式在線(xiàn)測量站與機器人柔性在線(xiàn)測量站等在線(xiàn)測量系統, 可嚴格監控車(chē)身尺寸波動(dòng), 為生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供數據支持, 車(chē)身測量實(shí)現了離線(xiàn)測量至100%在線(xiàn)測量的轉變; 除傳統三坐標測量、激光在線(xiàn)測量之外, 藍光掃描測量、表面缺陷測量等視覺(jué)測量方法也逐漸成為汽車(chē)質(zhì)量把控的重要手段, 這些測量方式可進(jìn)行更加精細的測量, 可對車(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控。目前, 多種監控測量手段互相結合, 可以實(shí)現車(chē)身從零件、部件, 以及整車(chē)的全程監控測量, 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)機器視覺(jué)的引入使得汽車(chē)生產(chǎn)更加智能, 不僅實(shí)現了車(chē)身尺寸的測量, 而且基于測量數據可以對汽車(chē)進(jìn)行細致多樣的分析并自動(dòng)產(chǎn)生報告, 實(shí)現實(shí)時(shí)報警。

激光在線(xiàn)測量

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, 對尺寸控制機構的制造是提高車(chē)身質(zhì)量的必要條件之一, 車(chē)身尺寸的先進(jìn)檢測方法是控制汽車(chē)制造尺寸精度的關(guān)鍵手段。激光在線(xiàn)測量技術(shù)基于三角測量原理, 其利用線(xiàn)狀激光構造被測特征, 結合有效的照明, 獲得被測特征的表面信息, 相機拍攝特征圖像, 通過(guò)圖像處理技術(shù)得到被測特征在圖像上的二維(2D)坐標, 再通過(guò)三角測量模型將2D坐標轉換為傳感器坐標系下的三維(3D)空間坐標。在線(xiàn)測量技術(shù)根據不同的應用場(chǎng)景可分為固定式在線(xiàn)測量系統與機器人柔性在線(xiàn)測量系統，固定式在線(xiàn)測量系統包含多個(gè)測量傳感器, 每個(gè)傳感器的位置固定, 傳感器在各自的坐標系(傳感器坐標系)中進(jìn)行測量, 得到被測點(diǎn)在傳感器坐標系下的坐標, 最后通過(guò)坐標系統一將被測點(diǎn)的測量結果系轉換至車(chē)身坐標系下, 從而完成測量。機器人柔性在線(xiàn)測量系統由多自由度的工業(yè)機器人與安裝在機器人末端關(guān)節的柔性傳感器組成。當機器人接收到測量信號的開(kāi)始時(shí), 根據預先計劃的測量路徑驅動(dòng)視覺(jué)傳感器的運動(dòng), 并將測量點(diǎn)依次進(jìn)入傳感器的測量區域, 由視覺(jué)傳感器和測量主機完成測量。機器人柔性在線(xiàn)測量系統較為靈活, 可以測量車(chē)身上機器人可以到達的特征, 固定式在線(xiàn)測量系統只能測量固定有限范圍, 適用于測量機器人無(wú)法到達的特征(如底板上的特征)。

藍光掃描測量

在汽車(chē)生產(chǎn)中, 形貌測量是產(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)現車(chē)身外覆蓋件的尺寸與形貌異?？梢源蟠蠼档统鰪S(chǎng)產(chǎn)品的缺陷率, 對車(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。

藍光掃描技術(shù)可獲得高密度的測量數據應對復雜曲面多變的形貌特征與曲率變化, 有效實(shí)現復雜曲面的精細化測量, 其掃描測量精度可以達到±0.02 mm, 在單幅0.5 m范圍內可以獲得上千萬(wàn)個(gè)高密度點(diǎn)云數據。通過(guò)采用高精度拼接技術(shù), 藍光掃描測量可以有效統一局部測量數據至全局坐標系下, 滿(mǎn)足大型構件測量范圍的要求, 與此同時(shí), 通過(guò)結合機器人運動(dòng)平臺, 可以提高測量效率與自動(dòng)化水平, 實(shí)現無(wú)人干預工作, 基于這些特點(diǎn), 可以對車(chē)身零部件及整車(chē)進(jìn)行非常細致的質(zhì)量評價(jià), 包括表面形貌評價(jià)和局部特征評價(jià)。

表面質(zhì)量檢測

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, 車(chē)身噴涂不僅可以提供外觀(guān)裝飾, 而且可以對車(chē)身表面進(jìn)行保護。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, 如何準確地實(shí)現汽車(chē)表面涂裝質(zhì)量自動(dòng)化測量極其關(guān)鍵。

為提升效率、減少人工, 基于機器視覺(jué)的汽車(chē)表面質(zhì)量測量已開(kāi)始應用在汽車(chē)涂裝檢測領(lǐng)域。與傳統人工目視測量相比, 視覺(jué)表面質(zhì)量測量采用全自動(dòng)檢測, 具有極高的敏感度和大視野, 可高效、高精度、全方位的對汽車(chē)涂裝質(zhì)量進(jìn)行檢測, 最大限度的避免整車(chē)返工。

視覺(jué)引導

視覺(jué)引導技術(shù)結合了多種視覺(jué)檢測技術(shù)與機器人運動(dòng)學(xué)原理, 旨在為工業(yè)現場(chǎng)的每臺機器人安裝“眼睛”。視覺(jué)引導系統將突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制, 使其能根據被操作工件的變化實(shí)時(shí)調整工作軌跡, 提升機器人智能水平, 促進(jìn)生產(chǎn)效率, 提高生產(chǎn)質(zhì)量, 比如通過(guò)引導機器人自動(dòng)上下料和引導物流及輸送設備定位等。后來(lái), 視覺(jué)引導技術(shù)逐漸滲透到汽車(chē)制造的全過(guò)程, 比如引導機器人進(jìn)行最佳匹配安裝、精確制孔、焊縫引導及跟蹤、噴涂引導、風(fēng)擋玻璃裝載引導等, 目前, 視覺(jué)引導技術(shù)在汽車(chē)制造過(guò)程中的應用越來(lái)越廣泛, 對汽車(chē)制造往智能化方向發(fā)展發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。

視覺(jué)引導抓取

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)引導抓取上件。視覺(jué)引導抓取方法將機器人與視覺(jué)測量相結合, 突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制, 使其能根據被操作工件的位置變化實(shí)時(shí)調整其工作軌跡, 準確抓取工件, 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)引導抓取方法中, 需要在機器人上分別集成測距傳感器與視覺(jué)傳感器并標定, 抓取時(shí)首先讀取測距儀數值實(shí)時(shí)感知零件與機器人相對位置, 引導機器人接近料箱; 其次通過(guò)視覺(jué)傳感器對料箱內配件拍照, 結合零件自身特征(例如孔、角點(diǎn)等)的三維信息, 實(shí)現零件相對于初始狀態(tài)的6自由度(3方向位置及3方向旋轉角度)精確定位, 繼而計算工件位置及角度的偏移, 反饋修正取件機器人的抓取軌跡。

視覺(jué)引導裝配

基于視覺(jué)引導的機器人自動(dòng)裝配已成為車(chē)身裝配的主流發(fā)展方向, 其將機器視覺(jué)技術(shù)與工業(yè)機器人結合起來(lái), 通過(guò)視覺(jué)引導機器人, 實(shí)現汽車(chē)配件高精度安裝, 極大地提高了環(huán)境適應能力以及智能化程度。在機器人裝配過(guò)程中, 只有考慮到視覺(jué)導引和定位技術(shù)的裝配要求, 才能充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢, 提高機器人抓取和放置的精度。

視覺(jué)引導裝配與視覺(jué)引導抓取不同, 其需要高精度保證配件與車(chē)身相對位姿的一致性, 故視覺(jué)引導裝配系統需要配置多個(gè)激光視覺(jué)傳感器。

視覺(jué)引導加工

視覺(jué)引導加工是指利用視覺(jué)測量技術(shù)測量每臺車(chē)的特定區域尺寸信息, 并根據其實(shí)際狀態(tài)引導機器人進(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)制造中應用越來(lái)越廣泛, 將機器人、激光加工技術(shù), 以及機器視覺(jué)技術(shù)結合在一起可以充分利用各自的優(yōu)勢, 實(shí)現自動(dòng)化的高精度加工。

視覺(jué)檢測

如今的產(chǎn)品生產(chǎn)、檢測與機器視覺(jué)緊密相關(guān)，通過(guò)機器視覺(jué)檢測還可以對產(chǎn)品進(jìn)行制造工藝檢測、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

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結構、緊固隔振、密封保護等作用。涂膠環(huán)節由于其工作環(huán)境惡劣、工作強度高、運動(dòng)精度高, 以及穩定性好, 涂膠工藝逐漸由手工涂膠改為機器人涂膠, 涂膠自動(dòng)化已逐漸成為一種趨勢。
當前基于機器視覺(jué)實(shí)現自動(dòng)化檢測的涂膠檢測工藝, 已經(jīng)可以實(shí)現邊涂邊檢。涂膠檢測時(shí), 提前將膠槍與視覺(jué)傳感器等檢測裝備同時(shí)固定在機器人上, 視覺(jué)傳感器工作視場(chǎng)調整至涂膠區域處, 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處理分析使用。之后, 通過(guò)圖像處理方法對采集到的膠條照片進(jìn)行檢測與分析, 保證涂膠質(zhì)量與涂膠的連續性。

焊接在結構件成形中扮演了非常重要的角色, 對焊后的焊縫進(jìn)行拋磨是消除焊接材料內部應力, 生成光滑的焊接表面的關(guān)鍵技術(shù)。然而, 工業(yè)現場(chǎng)主要依靠人工通過(guò)肉眼觀(guān)察焊縫外觀(guān), 勞動(dòng)效率低且檢測會(huì )引入人眼誤差。視覺(jué)檢測的出現有助于實(shí)現機器人自主拋磨焊縫質(zhì)量的評價(jià), 其良好的穩定性、高效率等特性必將取代傳統的人工視覺(jué)探測方法。

焊縫余高以及熔寬是評價(jià)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素, 目前應用最廣泛的是線(xiàn)結構光視覺(jué)與工業(yè)機器人的組合, 線(xiàn)結構光視覺(jué)傳感器安裝在機器人上, 通過(guò)示教后的機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, 焊縫引導及焊縫跟蹤對視覺(jué)系統的防護功能提出很高的要求, 通過(guò)圖像處理算法對拍攝的圖片進(jìn)行特征分析提取, 準確獲取焊縫余高以及熔寬。

在焊縫檢測過(guò)程中, 首先為機器人自動(dòng)拋磨焊縫提供有關(guān)參數, 規劃機器人磨拋路徑, 帶動(dòng)焊槍與視覺(jué)傳感器協(xié)同運動(dòng), 與此同時(shí)通過(guò)線(xiàn)結構光傳感器基于三角測量法計算得到相應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, 對焊接質(zhì)量進(jìn)行評價(jià), 實(shí)現焊接過(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功能, 滿(mǎn)足一定防護等級, 并能夠防飛濺和自我冷卻。

存在/缺失檢測

機器視覺(jué)同樣可應用于汽車(chē)零部件質(zhì)量檢測、相關(guān)標志識別等, 其有助于提高生產(chǎn)效率、增強自動(dòng)化程度以及提高作業(yè)過(guò)程的可靠性與可追溯性。具體應用包括類(lèi)型識別與防錯, 例如頂蓋類(lèi)型識別、橫梁、前蓋類(lèi)型防錯; 存在/缺失檢測以保證零件的完整性, 例如螺柱完整性檢測; 視覺(jué)讀碼以保證零件在整個(gè)制造過(guò)程中或整個(gè)生命周期內的可追溯性。

在汽車(chē)制造中, 視覺(jué)讀碼可以實(shí)現零件缺失追蹤、缺陷行為追蹤、裝配錯誤行為證明等多種功能。例如輪胎企業(yè)對每個(gè)輪胎做追溯管理都需要使用硫化標簽, 并且進(jìn)行全面的跟蹤, 主要的方法是在輪胎半徑內的任意范圍內粘貼一維標簽條形碼, 輪胎的可追溯性是企業(yè)內部制造執行系統(MES)的重要組成部分, 客戶(hù)要求產(chǎn)品能在運動(dòng)過(guò)程中以任意角度準確地讀取條碼，而基于高性能的一維視覺(jué)傳感器可以高速采集標簽條碼, 并配合圖像處理算法進(jìn)行標簽碼的識別。