視覺引導(dǎo)系統(tǒng)在白車身的應(yīng)用

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)完成從勞動(dòng)密集型的低自動(dòng)化率向由機(jī)器人取代人工的高自動(dòng)化率的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。然而，由于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，普通細(xì)分市場(chǎng)的概念已經(jīng)滿足不了客戶的需求，多配置的白車身產(chǎn)品不斷沖擊著車身制造系統(tǒng)，如何有效解決零件的自動(dòng)化在線拼合及配對(duì)成了一個(gè)非常重要的課題。

本文主要介紹了車身焊裝線上典型拼合工位的工藝過程，討論了視覺引導(dǎo)系統(tǒng)在車身焊裝線上的應(yīng)用特點(diǎn)，從系統(tǒng)的柔性和成本等角度出發(fā)，為多配置的白車身產(chǎn)品設(shè)計(jì)及車身自動(dòng)匹配系統(tǒng)提供了參考。

零件拼合過程

在焊裝生產(chǎn)線上，零件拼合工位是將若干散件拼合后，通過定位工裝進(jìn)行定位焊接的工位。散件可以由人工或者機(jī)器人，在規(guī)定的位置完成涂膠操作后，按照零件的搭接先后順序，依次放入拼合工裝;然后由輸送系統(tǒng)，將散件送入后道定位工裝，在夾具夾緊之后，完成定位焊接，以確保零件處于正確位置，防止各總成出現(xiàn)較大位移，從而導(dǎo)致白車身尺寸偏差的缺陷。

引入選配工藝后，機(jī)器人視覺防錯(cuò)系統(tǒng)將取代人工識(shí)別，機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)將取代人工操作，傳統(tǒng)的工藝方法將被替代。

目前上汽通用的焊裝生產(chǎn)線內(nèi)，典型的工位應(yīng)用包括地板拼合工位、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。

視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

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±12?mm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(cè)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(hào)，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(hào)。圖像處理單元對(duì)這些信號(hào)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(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作，如圖2所示。

視覺引導(dǎo)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。當(dāng)需要完全定位一個(gè)物體位置時(shí)，我們需對(duì)其6個(gè)自由度進(jìn)行限定，而“3-2-1”定位原則簡(jiǎn)單地講就是先通過至少3個(gè)點(diǎn)的Z向坐標(biāo)所擬合出來的形面來限制該物體在Z向的位旋轉(zhuǎn)，然后從至少兩個(gè)點(diǎn)的Y向坐標(biāo)所擬合出來的直線來限定該物體的Y向位置和旋轉(zhuǎn)，最后通過至少一個(gè)點(diǎn)的X向坐標(biāo)來最終確定物體在X向的平移，從而最終確定一個(gè)物體的位置的定位方法。視覺引導(dǎo)技術(shù)，其主要原理是：基于“3-2-1”定位原則，對(duì)一個(gè)被引導(dǎo)零件上至少一個(gè)三維特征(孔、槽等)、一個(gè)二維特征(棱、邊界等)和一個(gè)一維特征(面)的測(cè)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。

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(duì)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(gè)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(shí)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(gè)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)模化推廣奠定了基礎(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(dòng)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(dòng)到不同的測(cè)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(tái)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，60?JPH的主線CT只有51?s，在51?s的循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成測(cè)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(tái)額外的視覺測(cè)量機(jī)器人，在取料機(jī)器人切換抓手時(shí)進(jìn)行同步測(cè)量，以減少工位的操作時(shí)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(cè)量傳感器測(cè)量車頂及A柱的主定位孔確定車身的坐標(biāo)系;車身測(cè)量完成后，機(jī)器人攜帶頂蓋產(chǎn)品運(yùn)行至測(cè)量位置(頂蓋安裝理論位置，并在Z向上與理論安裝位置保持一定的距離);測(cè)量傳感器對(duì)頂蓋進(jìn)行測(cè)量，確定待裝頂蓋的實(shí)際位置;測(cè)量控制系統(tǒng)把兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)算法(根據(jù)實(shí)際的車身位置，將車頂放置在相對(duì)側(cè)圍和前后橫梁的居中位置)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;

可見裝配過程中需要進(jìn)行2次測(cè)量，每次測(cè)量均有6個(gè)測(cè)點(diǎn)，機(jī)器人攜帶視覺設(shè)備的測(cè)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(duì)成本會(huì)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(jiǎn)化滾邊胎膜的設(shè)計(jì)，同時(shí)節(jié)省胎膜切換時(shí)間，最快節(jié)拍可以做到46?s，滿足65?JPH的產(chǎn)能需求。

總結(jié)與展望

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(cè)點(diǎn)數(shù)量。條件A：在工位節(jié)拍富余的前提下，我們可以優(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(cè)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)。

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，在高精度應(yīng)用中，被抓取零件與被放置零件均需要使用定位工裝或者對(duì)中臺(tái)，以保證對(duì)應(yīng)的零件位置始終保持在精確位置，視覺引導(dǎo)的理論偏差可以直接反映制造系統(tǒng)的制造誤差，更進(jìn)一步的應(yīng)用，可以給視覺引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置公差，一旦偏差超出設(shè)定值，系統(tǒng)就進(jìn)行報(bào)警反饋。而低精度的應(yīng)用相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于零件只需要進(jìn)行輔助定位(±12?mm)，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)圍總成拼合工位中的定位形式，均為輔助定位。

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250～500?mm，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(duì)其都能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。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)方案中，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，又不會(huì)增加成本。