視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在汽車(chē)零部件尺寸檢測(cè)中的應(yīng)用

韋春州 鄭偉羅捷李遠(yuǎn)智

（1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，柳州545000；2.柳州滬信汽車(chē)科技有限公司，柳州545000）

1 前言

汽車(chē)零部件及白車(chē)身三維尺寸是整車(chē)品質(zhì)的基礎(chǔ)保障，它將直接影響到轎車(chē)車(chē)身降噪性、密封性、行駛平順性等性能，以及整車(chē)的制造成本和新產(chǎn)品投放周期。據(jù)J.D.Power2006年調(diào)查研究顯示，約有29.8%的整車(chē)產(chǎn)品缺陷與車(chē)身尺寸質(zhì)量有關(guān)[1]。因此，汽車(chē)零部件及整車(chē)三維尺寸控制，是整車(chē)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)制造過(guò)程中最重要的質(zhì)量監(jiān)控手段之一，各大汽車(chē)廠(chǎng)商都在追求滿(mǎn)足一定經(jīng)濟(jì)性和快捷性的條件下，盡可能對(duì)整個(gè)汽車(chē)研發(fā)及制造過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施全尺寸監(jiān)控，以盡最大可能消除汽車(chē)制造缺陷，提高整車(chē)品質(zhì)。

汽車(chē)零部件及白車(chē)身尺寸的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量效率高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、柔性化好、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，已大量用于車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的白車(chē)身尺寸在線(xiàn)檢測(cè)[4]，很好地保證了白車(chē)身的尺寸質(zhì)量。但是，作為白車(chē)身的基本組成結(jié)構(gòu)，大量的汽車(chē)零部件目前仍然是采用傳統(tǒng)的檢具檢測(cè)方式，使得零部件的尺寸質(zhì)量不能夠得到很好的控制，對(duì)白車(chē)身尺寸質(zhì)量及整車(chē)品質(zhì)的持續(xù)提高會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。因此，研究基于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的零部件柔性測(cè)量系統(tǒng)，并驗(yàn)證系統(tǒng)用于汽車(chē)零部件尺寸測(cè)量的可靠性與穩(wěn)定性，探索視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在汽車(chē)零部件尺寸質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用的可行性，對(duì)提高汽車(chē)零部件質(zhì)量，進(jìn)而提高白車(chē)身尺寸質(zhì)量有著重要價(jià)值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的零部件柔性測(cè)量系統(tǒng)主要由視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、協(xié)作機(jī)器人、柔性定位系統(tǒng)、外部光源、以及控制柜等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性測(cè)量系統(tǒng)示意

視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主要用來(lái)獲取被測(cè)物體的三維信息，利用光學(xué)相機(jī)成像原理，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下對(duì)零件拍照，之后對(duì)圖像中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，把被測(cè)目標(biāo)特征和檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)零件定位孔、安裝孔、切邊等特征的測(cè)量[5]，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零部件尺寸信息的非接觸式快速測(cè)量。

柔性定位系統(tǒng)由3組可分別沿X/Y/Z3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的X/Y/Z軸直線(xiàn)滑臺(tái)組成，三軸滑臺(tái)相互嵌套安裝，均由PLC控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z軸直線(xiàn)滑臺(tái)頂部裝有支撐板并設(shè)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置、連接板及定位銷(xiāo)以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種孔位、形面、結(jié)構(gòu)零件的柔性定位，確保零部件基準(zhǔn)坐標(biāo)系與車(chē)身坐標(biāo)系一致。

外部光源主要用來(lái)補(bǔ)充零部件測(cè)量時(shí)的光照條件，確保結(jié)構(gòu)光傳感器能夠精確完整獲取待測(cè)物體三維信息。

協(xié)作機(jī)器人主要用來(lái)執(zhí)行自動(dòng)測(cè)量操作，其安全性高，可人工手動(dòng)引導(dǎo)操作，環(huán)境適用性較普通機(jī)器人強(qiáng)。

測(cè)量系統(tǒng)的協(xié)作機(jī)器人、柔性定位系統(tǒng)、PLC等主要設(shè)備通過(guò)應(yīng)用廣泛、傳輸速度快、性?xún)r(jià)比高的Ethernet/IP通訊方式傳遞數(shù)據(jù)；視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)Ethernet使用GigE協(xié)議通訊；外部光源采用高速脈沖控制。

3 系統(tǒng)測(cè)量精度分析

采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球?qū)α悴考嵝詼y(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)量分析，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球半徑為12.71 mm，標(biāo)準(zhǔn)球球心距為83.79 mm，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球如下圖2所示。采用柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行拍照獲取點(diǎn)云圖，如圖3、圖4所示。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球半徑和球心距重復(fù)進(jìn)行10次測(cè)量并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，如下表1、表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球直徑測(cè)量值

表2 標(biāo)準(zhǔn)球球心距測(cè)量值

圖2 實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球

圖3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球半徑柔性測(cè)量點(diǎn)云圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球球心距柔性測(cè)量點(diǎn)云圖

從測(cè)量數(shù)據(jù)看出，該柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球半徑的測(cè)量值偏差最大值為0.007 mm，由貝塞爾公式計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 6 mm；該柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球球心距的測(cè)量值偏差最大值為0.015 mm，由貝塞爾公式計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 mm?？梢?jiàn)，該柔性測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度與較好的測(cè)量重復(fù)性。

4 典型零部件測(cè)量實(shí)驗(yàn)

汽車(chē)零部件孔徑大小及孔位置度是直接影響汽車(chē)裝配質(zhì)量以及裝配可行性的重要質(zhì)量指標(biāo)，因此，在汽車(chē)零部件尺寸檢測(cè)中，安裝孔孔徑及孔位置度是兩種非常重要的尺寸檢測(cè)項(xiàng)。采用開(kāi)發(fā)的柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)防撞梁加強(qiáng)板的孔徑大小及孔位置度進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證柔性測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際汽車(chē)零部件尺寸測(cè)量上應(yīng)用的可行性。由于三坐標(biāo)測(cè)量方法（CMM）具有極高的測(cè)量精度，在汽車(chē)制造行業(yè)，可以采用CMM測(cè)量值為基準(zhǔn)對(duì)在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

汽車(chē)前防撞梁加強(qiáng)板零部件如圖5所示。首先采用柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣件9個(gè)孔的孔徑及位置度進(jìn)行測(cè)量。然后，以孔1、4、6作為基準(zhǔn)孔，采用?？怂箍礏ravo HD雙懸臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其余6個(gè)孔孔徑及位置度進(jìn)行檢測(cè)。?？怂箍礏ravo HD雙懸臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三維空間計(jì)量精度為0.006 mm，實(shí)驗(yàn)以該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果作為樣件孔徑大小和孔位置度的基準(zhǔn)值，將柔性測(cè)量系統(tǒng)所得的測(cè)量值與之進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)際汽車(chē)零部件尺寸的檢測(cè)精度。

圖5 試驗(yàn)用汽車(chē)前防撞梁加強(qiáng)板

對(duì)汽車(chē)前防撞梁加強(qiáng)板零件進(jìn)行拍照并獲取點(diǎn)云圖，如圖6所示。分別采用三坐標(biāo)和柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)零件9個(gè)孔孔徑進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量值并計(jì)算兩者偏差值，如表3所示。

表3 樣件孔直徑測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 實(shí)驗(yàn)樣件柔性測(cè)量點(diǎn)云圖

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，采用開(kāi)發(fā)的柔性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量所得的樣件孔徑與三標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值相比，偏差基本處于0.1 mm以?xún)?nèi)，具有較好的精確度。

分別采用三坐標(biāo)和柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)前防撞梁加強(qiáng)板樣件孔位置度進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量值并計(jì)算兩者偏差值，如表4所示。由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，在孔位置度測(cè)量中，X方向和Y方向的偏差較小，處于0.1 mm范圍內(nèi)；在Z方向上，除了作為基準(zhǔn)孔的孔1、4、6外，其余孔位置度在Z方向上整體出現(xiàn)了較大的偏差，偏差最小值為0.45 mm，最大值為0.57 mm，但偏差值波動(dòng)較小，處于0.12 mm范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，柔性測(cè)量系統(tǒng)所得的孔位置度Z方向發(fā)生了整體的偏移。

表4 樣件孔位置度測(cè)量數(shù)據(jù)

在柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量孔的孔徑和位置度坐標(biāo)是系統(tǒng)根據(jù)視覺(jué)測(cè)量所得的點(diǎn)云圖自動(dòng)擬合的。在采用柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行三維信息采集時(shí)，會(huì)由于光照條件、相機(jī)角度等因素的影響，導(dǎo)致零部件信息采集不完整，使得孔徑擬合時(shí)產(chǎn)生較大的偏差。另外，在對(duì)孔直徑進(jìn)行擬合時(shí)，為了擬合出最佳的孔徑，擬合圓位置可能會(huì)偏離待測(cè)物表面，從而導(dǎo)致測(cè)量所得的孔位置度在Z方向上會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，如下圖7所示。

圖7 零件孔點(diǎn)云圖擬合圓示意

但是，在汽車(chē)行業(yè)，對(duì)于孔位置度來(lái)說(shuō)，垂直于孔所在平面的方向的坐標(biāo)值，對(duì)于零件的裝配質(zhì)量基本沒(méi)有影響，對(duì)于孔位置度的3個(gè)坐標(biāo)方向，通常只關(guān)注X向和Y向。所開(kāi)發(fā)的柔性測(cè)量系統(tǒng)，在對(duì)汽車(chē)零部件安裝孔的孔徑和孔位置度的X、Y向的測(cè)量值，都具有較高的精度，可以很好地指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)。

5 結(jié)論

a.基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的柔性測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到較高的測(cè)量精度；

b.采用柔性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行測(cè)量，與懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果相比，孔徑大小偏差基本處于0.1 mm以?xún)?nèi)，孔位置度偏差在與孔所在平面平行的兩個(gè)方向上處于0.1 mm以?xún)?nèi)，在與孔所在平面垂直的方向上偏差較大，為0.23 mm；

c.柔性測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足汽車(chē)零部件尺寸測(cè)量要求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。