上汽通用白車身車間的那些“眼睛”

隨著汽車車身制造系統(tǒng)的日趨成熟以及工業(yè)4.0帶來的沖擊，車身制造系統(tǒng)已經(jīng)逐步向由機(jī)器人取代人工的高自動化率的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，同時，由于激烈的市場競爭需要，多配置的白車身產(chǎn)品也不斷沖擊著車身制造系統(tǒng)，如何有效解決零件的自動化在線拼合及配對成了一個非常重要的課題。為此，上汽通用汽車引入了視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，并在生產(chǎn)線上取得了很好的應(yīng)用效果，為多配置的白車身產(chǎn)品設(shè)計(jì)及車身自動匹配系統(tǒng)提供了參考。

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的引入

目前上汽通用的焊裝生產(chǎn)線內(nèi)，典型的工位包括地板拼合工位、側(cè)圍內(nèi)外板拼合工位、車頂拼合工位以及輪罩滾邊工位。引入選配工藝后，機(jī)器人視覺防錯系統(tǒng)將取代人工識別，機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)將取代人工操作，傳統(tǒng)的工藝方法將被替代。

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)由以下幾部分組成：散件總成及輔助定位系統(tǒng)、機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、機(jī)器人抓手及定位工裝，如圖1所示。

1.散件總成及輔助定位系統(tǒng)

為了適應(yīng)機(jī)器人視覺引導(dǎo)取料的工藝要求，輔助定位系統(tǒng)的作用就是保證總成±12mm的位置精度，以保證視覺系統(tǒng)在可達(dá)的容差范圍內(nèi)完成取料工藝。

2.視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

工位視覺的目的是給機(jī)器人或者生產(chǎn)線添加一雙“眼睛”，用機(jī)器視覺系統(tǒng)代替人眼完成測量和判斷。機(jī)器視覺產(chǎn)品通過相機(jī)單元將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像采集系統(tǒng)或者內(nèi)部預(yù)處理單元，得到被攝取目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和灰度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。圖像處理單元對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場設(shè)備的動作，如圖2所示。

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)在生產(chǎn)線上的應(yīng)用

上汽通用焊裝車間內(nèi)采用的視覺引導(dǎo)品牌雖然不盡相同，但是其引導(dǎo)原理是類似的——基于“3-2-1”定位原則，對一個被引導(dǎo)零件上至少一個三維特征(孔、槽等)、一個二維特征(棱、邊界等)和一個一維特征(面)的測量，來獲取“3-2-1”原則所需的基本元素后，根據(jù)算法來得到現(xiàn)有零件與其理論位置所存在的偏差，并把此偏差轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)系的偏移值，糾正其理論抓取位置，以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)效果。

視覺引導(dǎo)的應(yīng)用主要分為糾偏和取料，二者的區(qū)別在于糾偏是高精度應(yīng)用還是低精度應(yīng)用。高精度應(yīng)用的案例為車頂定位工位和輪罩滾邊工位，被抓取零件與被放置零件均需要使用定位工裝或者對中臺，以保證對應(yīng)的零件位置始終保持在精確位置。低精度的應(yīng)用對于零件只需要進(jìn)行輔助定位(±12mm)，只要定位精度不超出視覺系統(tǒng)的容差范圍，引導(dǎo)工藝即可實(shí)現(xiàn)，如地板拼合工位以及側(cè)圍總成拼合工位。

1.地板拼合工位

地板拼合工位的引導(dǎo)目的為取料。零件通過非精度料箱放置于線旁，機(jī)器人通過視覺引導(dǎo)技術(shù)對零件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)取料后，進(jìn)行涂膠和零件上夾具的步驟。在這個工藝過程中，機(jī)器人需要結(jié)合視覺引導(dǎo)，保證取料和涂膠工藝的準(zhǔn)確性，避免發(fā)生停機(jī)事故以及產(chǎn)品質(zhì)量問題。

該取料抓手(見圖3)的設(shè)計(jì)集成了視覺設(shè)備，同時又兼顧了抓手的柔性。相比傳統(tǒng)的手工上料工藝，視覺引導(dǎo)的使用取消了定位工裝和手工吊具，有效地節(jié)省了工藝面積以及人員。

2.側(cè)圍外板定位工位

側(cè)圍外板定位工位的引導(dǎo)目的同樣為取料。工藝過程與地板拼合工藝大體類似，區(qū)別在于側(cè)圍外板為車身外覆蓋件，受產(chǎn)品造型約束較大，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)所采用的特征點(diǎn)很難做到區(qū)域共用，所以側(cè)圍外板抓手如何做到共用設(shè)計(jì)便成了一個難題。如圖4所示，抓手方案中巧妙地采用了1+x的設(shè)計(jì)形式，固定框架用以固定視覺設(shè)備，框架兩端設(shè)計(jì)抓手連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)抓手切換。該抓手設(shè)計(jì)充分考慮了視覺設(shè)備無法切換的技術(shù)難點(diǎn)，為視覺引導(dǎo)取料工藝的規(guī)?；茝V奠定了基礎(chǔ)。

3.側(cè)圍總成拼合工位

側(cè)圍總成拼合工位的引導(dǎo)目的為取料。圖5中零件經(jīng)由電動滑車懸掛在工位上方，視覺機(jī)器人根據(jù)不同車型帶著工業(yè)相機(jī)運(yùn)動到不同的測量位置，視覺系統(tǒng)根據(jù)這些位置獲得的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)算法計(jì)算后將坐標(biāo)偏移值同步傳遞給另一臺取料機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)取料后，進(jìn)行零件拼合的步驟。

側(cè)圍拼合工位通常為主線工位，60JPH的主線CT只有51s，在51s的循環(huán)時間內(nèi)完成測量、抓手切換、下料、上料以及車身傳輸顯然是不可能的。于是，我們通過增加一臺額外的視覺測量機(jī)器人，在取料機(jī)器人切換抓手時進(jìn)行同步測量，以減少工位的操作時間，滿足高JPH的生產(chǎn)制造和多車型共線的柔性生產(chǎn)需求。

4.車頂定位工位

車頂定位工位的引導(dǎo)目的為糾偏。該工位的視覺設(shè)備安裝方式與其他工位略有不同，采用固定式安裝，如圖6所示，引導(dǎo)裝配過程如下：車身通過輸送線進(jìn)入裝配工位，車身下落并由工裝定位夾緊;測量傳感器測量車頂及A柱的主定位孔確定車身的坐標(biāo)系;車身測量完成后，機(jī)器人攜帶頂蓋產(chǎn)品運(yùn)行至測量位置;測量傳感器對頂蓋進(jìn)行測量，確定待裝頂蓋的實(shí)際位置;測量控制系統(tǒng)把兩次測得的數(shù)據(jù)經(jīng)算法計(jì)算后獲得坐標(biāo)偏移值并傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人據(jù)此完成裝配工作。

裝配過程中需要進(jìn)行2次測量，每次測量均有6個測點(diǎn)，機(jī)器人攜帶視覺設(shè)備的測量方式顯然無法滿足節(jié)拍要求。然而，該方案的缺點(diǎn)也顯而易見，視覺設(shè)備套數(shù)的增加對成本會造成不小的影響。

5.輪罩滾邊工位

輪罩滾邊工位的引導(dǎo)目的為糾偏，其工藝過程與側(cè)圍拼合工位類似(見圖7)。與機(jī)械定位式的輪罩滾邊工藝相比，該方案可以簡化滾邊胎膜的設(shè)計(jì)，同時節(jié)省胎膜切換時間，最快節(jié)拍可以做到46s，滿足65JPH的產(chǎn)能需求。

視覺引導(dǎo)的應(yīng)用展望

視覺引導(dǎo)設(shè)備安裝形式的選擇需要結(jié)合工位的節(jié)拍、預(yù)留車型數(shù)量與測點(diǎn)數(shù)量。條件A：在工位節(jié)拍富余的前提下，可以優(yōu)先選擇將引導(dǎo)設(shè)備集成在工裝夾具上;如果工位節(jié)拍不夠，再考慮將引導(dǎo)設(shè)備與工裝夾具分離。條件B：在引導(dǎo)設(shè)備與工裝夾具分離的前提下，如果測點(diǎn)數(shù)量未超出節(jié)拍允許，我們可以優(yōu)先考慮采用專用視覺引導(dǎo)機(jī)器人;反之，則需要采取固定式視覺引導(dǎo)。

從成本和柔性角度看，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)本身是具備柔性化的特點(diǎn)的，設(shè)備供應(yīng)商可以根據(jù)不同的工況設(shè)定視覺系統(tǒng)的視野和范圍，并進(jìn)行設(shè)備選型。如車頂定位工位的視野為250～500mm，那么只要白車身的特征在此范圍內(nèi)，視覺引導(dǎo)系統(tǒng)對其都能實(shí)現(xiàn)檢測。另一方面，該系統(tǒng)的柔性需體現(xiàn)在與定位抓手的共用設(shè)計(jì)方案種，本文中側(cè)圍外板的抓手設(shè)計(jì)就是比較好的結(jié)合，既能保證柔性，又不增加成本。

從工業(yè)化的角度來說，上料自動化是一個大的趨勢，上汽通用也在積極地探索，工業(yè)視覺技術(shù)的應(yīng)用將會是一個巨大的創(chuàng)新點(diǎn)。從信息化的角度來說，工業(yè)視覺技術(shù)更是具備極大的挖掘潛力，尤其是數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)控、分析以及問題源的發(fā)現(xiàn)，對車身焊裝系統(tǒng)的質(zhì)量控制有著舉足輕重的意義。