線激光檢測(cè)技術(shù)在車身細(xì)密封涂膠機(jī)器人中的應(yīng)用綜述

馬清伍，陳家儉

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

隨著車身涂膠機(jī)器人在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)涂膠機(jī)器人的靈活性、穩(wěn)定性和噴涂精度提出了更高的要求。一汽-大眾汽車有限公司成功地引入了線激光檢測(cè)技術(shù)，用于精準(zhǔn)檢測(cè)車身四門兩蓋的位置，從而保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確高質(zhì)量的完成四門兩蓋的涂膠任務(wù)，極大地提高了自動(dòng)化生產(chǎn)率。

本文從激光檢測(cè)技術(shù)在涂裝行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)激光檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了分析，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中與機(jī)器人的集成和調(diào)試進(jìn)行了研究，并對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵問題和解決辦法進(jìn)行了闡述。

1　線激光檢測(cè)技術(shù)原理分析

1.1　引入激光檢測(cè)技術(shù)的目的

涂膠工藝是汽車在涂裝車間的重要工藝，為保證車身的防腐性能，需要在必要的焊縫連接處涂抹PVC膠。此類工作早期全部由操作員手持噴槍完成，隨著各種新車型的引入和客戶對(duì)于車身性能的要求越來越高，涂膠工藝變得越為復(fù)雜[1]。為了保證生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍，引入機(jī)器人涂膠成為汽車行業(yè)的必然趨勢(shì)。

對(duì)于底板和汽車內(nèi)倉涂膠，由于焊縫較為明顯，不要求膠條外觀形狀，因此精度要求較低，普通的機(jī)械定位配合3D攝像系統(tǒng)，涂膠質(zhì)量可以滿足要求。

但是針對(duì)車身的四門兩蓋涂膠，此區(qū)域的膠條屬于可見狀態(tài)，且四門兩蓋都屬于可活動(dòng)組件，由于工裝本身存在的誤差和操作人員手工操作的差異性，再加上車身在流水線上的運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械振動(dòng)引起的輕微開閉現(xiàn)象，每臺(tái)車身的門蓋位置狀態(tài)都處于不同狀態(tài)。

機(jī)器人的涂膠軌跡屬于固定程序，如果缺乏一定的測(cè)量手段，直接進(jìn)行車身涂膠，不但涂膠效果差強(qiáng)人意，還會(huì)引起槍嘴撞車和機(jī)器人撞車等不良后果。因此線性激光測(cè)量技術(shù)被引入到機(jī)器人細(xì)密封應(yīng)用當(dāng)中。

1.2　激光檢測(cè)技術(shù)概述

根據(jù)測(cè)量原理的不同，三維視覺系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)和雙目視覺系統(tǒng)。雙目視覺系統(tǒng)就是利用兩臺(tái)攝相機(jī)拍攝出目標(biāo)物體在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，測(cè)量精度較高，但測(cè)量速度相對(duì)較低。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，使用頻率相對(duì)較高的是結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)利用集中光源形成目標(biāo)特征圖像，集中通過圖像坐標(biāo)以及攝相機(jī)相對(duì)機(jī)器人幾何參數(shù)等，可以得到特征點(diǎn)相對(duì)機(jī)器人原點(diǎn)的坐標(biāo)信息。此種測(cè)量方法相對(duì)于雙目視覺系統(tǒng)精度相對(duì)較低，但是測(cè)量速度較快。通過激光掃描，利用激光測(cè)量可以得到物體輪廓，進(jìn)而得到物體的形貌信息[2]。其主要是使用特定結(jié)構(gòu)光源與攝相機(jī)組成的傳感系統(tǒng)，特殊光源投射到工件表面。攝相機(jī)對(duì)獲得的圖像信息進(jìn)行處理[3]。

對(duì)于激光檢測(cè)技術(shù)在涂裝行業(yè)的應(yīng)用，主要是采用基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，即將視覺系統(tǒng)得到的圖像信息作為系統(tǒng)反饋，構(gòu)造出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)。該反饋信號(hào)包含目標(biāo)在三維空間的直角坐標(biāo)信息，基本原理是通過對(duì)圖像特征的抽取并結(jié)合已知的目標(biāo)幾何模型及攝相機(jī)模型，在三維笛卡爾坐標(biāo)中對(duì)目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，并與初始位置進(jìn)行對(duì)比，將偏差量轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)中，作為機(jī)器人控制器的輸入，計(jì)算出控制量并對(duì)軌跡重新進(jìn)行規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

1.3　激光檢測(cè)系統(tǒng)組成

激光測(cè)量系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，工業(yè)控制計(jì)算器激光發(fā)生器以及CMOS相機(jī)。

檢測(cè)過程基本分為圖像采集，分析處理，控制輸出三個(gè)層面。圖像采集屬于整套系統(tǒng)中與外界交互的窗口，完成信息采集的功能。采集到的信息圖片首先需要進(jìn)行圖像處理，例如增強(qiáng)，邊緣檢測(cè)，圖像銳化等，使采集到的模糊且?guī)в羞吘壿喞膱D片能夠很好地轉(zhuǎn)換成以點(diǎn)線為主的特征圖片，從而順利將采集到的模擬信息轉(zhuǎn)變成機(jī)器更容易處理和反饋的數(shù)字信息?？刂戚敵?，是指在計(jì)算機(jī)理解圖像信息并進(jìn)行處理后，對(duì)機(jī)器人下達(dá)的控制動(dòng)作及其他指令，如改變姿態(tài)，速度，位置等。

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)組成

實(shí)際工作時(shí)，激光發(fā)生器發(fā)射出高強(qiáng)度光線，激光平面與待測(cè)量部件相交成一條激光條紋，條紋形狀正反映出待測(cè)量表面的幾何特征，攝相機(jī)采集到激光圖像信息，經(jīng)過增強(qiáng)，二值化等相關(guān)處理，獲得條文中心線的三維坐標(biāo)信息，并與初始狀態(tài)的車身幾何信息相比，從而得出車門相對(duì)車身的實(shí)際位置等，通過坐標(biāo)變換將此部分信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的控制指令。

圖2　簡(jiǎn)單成像示例

1.4　測(cè)量原理

激光測(cè)量主要的原理就是三角測(cè)量原理，其主要目的就是把空間上的距離信息轉(zhuǎn)變到成像平面上的位置信息。由此可以確定目標(biāo)距相機(jī)的距離變化情況。

圖3　三角測(cè)量原理

三角測(cè)量原理的示意圖如圖所示，可以算出垂直方向的移動(dòng)距離y與傳感器得到的圖像平行位移x之間的關(guān)系：

任何兩坐標(biāo)系之間都可以通過平移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換獲得，即完全可以用矩陣A來表示兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。傳感器安裝在機(jī)器人的六軸末端位置，傳感器安裝完成后會(huì)根據(jù)校定結(jié)果可以獲得傳感器坐標(biāo)系（1號(hào)坐標(biāo)系）相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系（0號(hào)坐標(biāo)系）的位置關(guān)系1A0；傳感器拍照完成后會(huì)得到目標(biāo)在傳感器坐標(biāo)系下的位置信息2A1。1A0*2A1即為目標(biāo)在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的位置信息，機(jī)器人的笛卡爾空間坐標(biāo)可以通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到關(guān)節(jié)空間下的目標(biāo)位置信息，從而可以直接進(jìn)行關(guān)節(jié)空間下的位置反饋調(diào)整。

圖4　坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

2　線激光檢測(cè)的集成及調(diào)試過程

2.1　傳感器的安裝與標(biāo)定

為了保證測(cè)量的靈活性，激光傳感器被安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器處。激光傳感器工作依靠機(jī)器人仿行軌跡共同實(shí)現(xiàn)，必須保證傳感器對(duì)于車身邊緣的可達(dá)性。由于傳感器位置屬于測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)，安裝必須要牢固精準(zhǔn)，并做好位置標(biāo)識(shí)，便于日后維修拆修后可以重新定位安裝。

傳感器安裝完成后，需要進(jìn)行位置確定，也就是獲得傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人坐標(biāo)系的位置關(guān)系，即建立工具坐標(biāo)系（TCP）。此工具坐標(biāo)系的建立需要借助于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板，標(biāo)定板由棱線清晰，線條明朗的各不同部分組成。通過激光在標(biāo)定板上投射獲得的圖像狀態(tài)為依據(jù)，首先確定理想的TCP距離，即傳感器表面距離工件的最佳距離。通過不同的位姿變化，獲取12個(gè)不同姿態(tài)下的圖像數(shù)據(jù)，通過計(jì)算可以獲得 TCP坐標(biāo)（類似于普通機(jī)器人末端工具的四點(diǎn)法確定TCP坐標(biāo)）。

圖5　傳感器標(biāo)定板

同時(shí)，為了便于檢查，在標(biāo)定板上選取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行不同姿態(tài)的測(cè)量，并保存圖像和數(shù)據(jù)。一旦激光傳感器進(jìn)行拆卸或者發(fā)生意外碰撞的情況下，首先也要依據(jù)相同的步驟，進(jìn)行傳感器檢查，對(duì)獲取的圖像與最開始的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比，若在誤差允許范圍內(nèi)，說明對(duì)傳感器功能沒有太大影響。但是一旦圖像誤差超出范圍，則表明傳感器本身已經(jīng)發(fā)生了誤差，需要進(jìn)行重新進(jìn)行 TCP定義。這時(shí)重復(fù)最初建立 TCP define步驟，系統(tǒng)會(huì)重新獲得一個(gè)TCP數(shù)值，將此數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)TCP距離對(duì)比后，系統(tǒng)會(huì)將此偏差值補(bǔ)償?shù)皆璗CP中，經(jīng)過這樣的步驟后，傳感器恢復(fù)正常的使用功能。

2.2　與3D測(cè)量系統(tǒng)的配合應(yīng)用

激光測(cè)量傳感器屬于高精度測(cè)量設(shè)備，能精確計(jì)算出工件的細(xì)微方位變化。但是面對(duì)車身較大偏差時(shí)，矯正不僅會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，還有可能發(fā)生碰撞。因此，激光測(cè)量系統(tǒng)必須與其他測(cè)量系統(tǒng)配合使用。

首先車身到達(dá)站內(nèi)后，機(jī)械化會(huì)通過定位銷進(jìn)行粗定位，保證車身誤差在正負(fù)1cm左右范圍內(nèi)，然后通過3D相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的精度測(cè)量。所謂的3D相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，依靠布置在機(jī)器人站四周的四個(gè)相機(jī)，通過拍照獲取車身固定的特征點(diǎn)坐標(biāo)，如果?？课恢谜`差，相機(jī)在獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)后會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，把誤差反饋到機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人將此部分補(bǔ)償?shù)杰壽E中，實(shí)現(xiàn)了誤差補(bǔ)償。

圖6　與3D攝像配合示意圖

3D測(cè)量系統(tǒng)的精度最高可達(dá)±1mm，此項(xiàng)技術(shù)也被廣泛的應(yīng)用在車身底部機(jī)器人涂膠的過程中，可以保證機(jī)器人較高質(zhì)量的完成任務(wù)。因此，激光檢測(cè)設(shè)備在對(duì)四門邊緣或前后蓋邊緣進(jìn)行檢測(cè)前，機(jī)器人的測(cè)量軌跡中已經(jīng)包含了3D攝像系統(tǒng)反饋回來的誤差值，這樣保證了測(cè)量時(shí)特征位置即包含在激光檢測(cè)范圍內(nèi)，也保證了測(cè)量工具不會(huì)與門蓋發(fā)生碰撞。

2.3　車身“零位置”測(cè)量

車身零位置測(cè)量，即對(duì)于零車身的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，是激光測(cè)量針對(duì)車身的初始化示教過程，其測(cè)量結(jié)果也是日后正常生產(chǎn)過程中用于比較基準(zhǔn)的依據(jù)。

因?yàn)榇舜螠y(cè)量的數(shù)據(jù)將會(huì)作為之后所有生產(chǎn)車的標(biāo)準(zhǔn)，所以要盡量將此次測(cè)量涉及到變量數(shù)據(jù)都接近零值。因此需要首先要求此臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)車身對(duì)于焊裝來說已經(jīng)屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，即門蓋等匹配已經(jīng)調(diào)到比較合理穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

零車身確定后，另外一個(gè)需要確定的因素就是工裝問題，門蓋在閉合狀態(tài)下是無法進(jìn)行涂膠的，所以需要一定的工裝將蓋撐起到固定高度或者門開啟到一定狀態(tài)。因此，初始工裝的選取也應(yīng)該尤其注意，應(yīng)選取最接近中值的工裝作為零工裝，這樣能夠有效減小由于工裝引起的絕對(duì)偏差。還有一個(gè)需要在工裝設(shè)計(jì)前期就應(yīng)該考慮的問題，即工裝定位的定位孔精度，盡量選取焊裝進(jìn)行測(cè)量、控制的孔位作為定位孔，這樣能夠減少安裝工裝帶來的誤差。

以上準(zhǔn)備工作完成后，便開始正式的測(cè)量示教工作，以后蓋為例，示教機(jī)器人軌跡令激光沿后蓋邊緣運(yùn)動(dòng)，選取十個(gè)點(diǎn)左右作為測(cè)量點(diǎn)，記錄圖像和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成后我們便得到了車身的初始信息，也作為了以后測(cè)量的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

2.4　與機(jī)器人系統(tǒng)的信息通信

激光傳感器與機(jī)器人的通訊直接通過總線進(jìn)行，在機(jī)器人測(cè)量開始臨近車身附近時(shí)，通過24V觸發(fā)出信號(hào)令傳感器開始發(fā)射激光，軌跡到達(dá)預(yù)知的測(cè)量點(diǎn)時(shí)，通知傳感器進(jìn)行拍照。

圖7　與機(jī)器人信息通訊

獲取圖片后，通過圖片分析處理，獲得測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并與初始測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，從而得出此門蓋相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)門蓋位置的坐標(biāo)偏差，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將偏差數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人通過矩陣變換可以得出各關(guān)節(jié)軸需要的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，從而保證涂膠工藝的準(zhǔn)確性。

圖8　位置閉環(huán)反饋框圖

3　結(jié)論

本文從激光檢測(cè)原理出發(fā)，介紹了激光檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，安裝與標(biāo)定，以及與3D攝像系統(tǒng)的配合等，同時(shí)也對(duì)激光檢測(cè)系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)通訊進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。激光檢測(cè)技術(shù)的引入，使得門蓋細(xì)密封機(jī)器人涂膠技術(shù)變得更加可靠，可以根據(jù)門蓋的實(shí)際開啟位置來調(diào)整涂膠軌跡，大大地提高了車間的自動(dòng)化水平。

[1] 孫亦炯,高水斌.機(jī)器視覺系統(tǒng)在車底密封涂膠機(jī)器人中的應(yīng)用[J],現(xiàn)代涂料與涂裝,2014.

[2] 劉航,李志勇等.焊縫輪廓線激光檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及算法實(shí)現(xiàn)[J],焊接,2017(1):27-31.

[3] 王平,基于激光結(jié)構(gòu)光視覺傳感的焊縫圖像處理[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位,2010.