汽车涂装线车身定位视觉检测系统研发与应用

蔡昕

（北京现代汽车有限公司）

随着汽车行业的蓬勃发展和竞争加剧，汽车企业越来越重视工厂生产效率的提升[1-8]，视觉系统在自动化生产及质量控制领域的大量应用，使其成为提升涂装工厂生产效率的重要手段[9-10]。文章介绍了在高链速汽车涂装生产线上，利用视觉方法检测车身的定位情况，通过计算车身与挂具基准点间的定位误差，在车身进入生产线前及时发现定位异常车辆，防止因定位异常导致涂装过程中白车身脱离挂具从而引起故障及报废车产生。通过反复验证，该系统达到了设计纲领要求，对保证前处理-电泳生产线的高速正常运行具有重要意义。

1 系统构成与设计

1.1 系统概述

文章以一座年产能45万辆的涂装工厂的涂装生产线为例，图1示出该汽车涂装生产线前处理工段入口局部示意图。该前处理-电泳生产线的生产节拍为102辆/h，链速为0.16 m/s，前处理工段总共有7个喷淋工段和7个浸渍工段，全长298 m；电泳工段总共有5个喷淋工段和3个浸渍工段，全长194 m。如图1所示，在车身进入前处理-电泳线入口前，需将车身从滑橇转换到挂具上并用防脱钩锁紧，在气缸锁紧的2个工位安装车身定位视觉检测系统，利用工业相机检测车身与挂具基准点的相位偏差，与设定的误差允许范围进行对比，通过对比结果判断定位是否准确，若相位偏差超出误差允许范围则发出报警信号。

图1 某汽车涂装生产线前处理工段入口局部示意图

1.2 系统构成

图2示出车身定位视觉检测系统整体构成图。视觉检测部分由9个相机组成，型号均为Cognex CAMCIC2000 60G，每个相机配置1个辅助光源，其中1个相机用于拍摄挂具号；8个相机拍摄白车身在挂具上的定位位置，设定允许的定位误差范围为±20 mm（距离）和±10°（角度）。挂具号信息和白车身定位图像与生产信息系统传输的车身信息共同保存。9个相机均为以太网工业相机，通过网络交换机与视觉检测系统控制柜相连，控制柜通过车辆追踪系统接收车辆信息。当操作箱发出车辆占位信号后视觉检测系统开始工作，进行图像拍摄处理并计算车身在挂具上的定位状态，发出信号经DI/O板卡通过现场总线传输至传输链控制柜PLC中，并通过工厂设备管理系统向中央控制室报警，实现远程监控。

图2 车身定位视觉检测系统整体构成

1.3 车身定位视觉检测原理

在拍摄车身定位信息的9个相机中，4个相机（①②③④）用于拍摄挂具与车身接触的4个定位板的相对位置；2个相机（⑤⑥）用于拍摄挂具前端2个防漂浮锁紧装置钩在前地板上的状态；2个相机（⑦⑧）用于拍摄挂具后端3个防漂浮挂具锁紧钩子在后地板上的状态；还有1个相机（⑨）用于识别挂具号码。各相机拍摄位置分布，如图3所示。

图3 车身定位视觉检测系统各相机拍摄位置分布图

图4示出某车型各定位点视觉检测及判定事例，通过样本采集的方式检测车身定位误差。

在进行图像处理前，预先选取车身特定位置（如孔等）作为车身样本图像，并选取挂具定位板的特定位置作为特征点；利用全图扫描样本匹配的方式检测出车身和挂具位置，计算2个特征点间的相对位置；将计算结果与设定的定位误差比对，若测量值超过设定值则认为定位异常。经测试，最终定义该系统的检测误差范围为±2 mm，角度误差范围为±5°。

1.4 报警功能设计

视觉检测系统首先通过车辆追踪控制柜（如图2所示）获取生产系统车型信息，并与现场通过光电开关识别的车型信息进行对比，若两者不一致则系统报警，待维护人员确认车型信息后再进行车身定位检测；若两者一致则视觉检测系统启动，判定车身定位状态，若定位异常亦进行报警，防止定位不准的车身进入后续的前处理-电泳线，如图5所示。

图5 车身定位视觉检测系统报警功能

具体实施方式为：当载有白车身的挂具进入车身定位检测工位时，输送链停止器触发，挂具抱紧，输送链给出占位信号，光源接收信号并点亮，车辆追踪PLC控制柜将车型信息发送给系统，延时1.5 s后光电管将识别车型信息发送给系统并进行车型数据对比，延时5 s后视觉检测系统启动拍照，系统将拍摄的挂具定位点与车身上特征点进行算法测量并与样本做比较，如果比较结果一致，发送OK信号给PLC，挂具抱紧装置打开，车辆通过；反之则发送NG信号，挂具抱紧装置不打开，系统报警，直到人为调整车身在挂具上位置与特征点的测量值满足标准后再执行车辆放行动作；每次检测执行过程完成后视觉检测系统复位，光源熄灭，等待下一辆车身到达时的启动信号。挂具前进程序的控制原理和停止器控制程序，分别如图6和图7所示。

图6 车身定位视觉检测系统挂具前进程序控制原理

图7 车身定位视觉检测系统停止器控制程序

1.5 软件界面及功能

车身定位视觉检测系统软件界面包括的各界面功能如下：

1）主界面主要包含生产系统中当前车辆数据信息、8套相机捕捉车辆在挂具上放置位置的图片，以及按照算法对车辆位置状态的判定结果。

2）功能导航界面包含用户管理、用户登录、修改履历、报警履历、检索履历、PLC I/O设置、车型设置、误差范围限值设定、光源参数设置及数据编辑等功能。

3）用户管理界面包含权限设置功能，分为3个等级权限：1级用户仅有用户登录、用户退出、报警履历查询等功能的权限；2级用户除包括1级用户的使用权限外，还包括修改履历查询、检索履历查询、PLC I/O设置、车型设置、上/下限设定、光源设定及数据删除等功能的操作权限；3级权限用户能操作视觉检测系统的所有功能。

4）用户登录界面是针对不同权限级别的用户输入工号和相应口令实施登陆的窗口。

5）修改履历界面包含2级用户及3级用户对视觉检测系统各种参数修改痕迹的记录。

6）报警履历界面包含视觉检测系统每日判定NG的详细内容。

7）检索履历界面包含根据时间、挂具号、判定OK/NG等情况查询每辆车通过时状态的功能。

8）PLC I/O设置界面记录了视觉检测系统判定时信号传递的详细过程。

9）车型设置界面包含对各个车型进行编号定义、拍摄位置及拍摄点数量的定义以及为添加新车型数据预留定义窗口。

10）误差范围限值设定界面包含各个拍摄点上/下限值的参数设定，挂具锁角度误差范围为±10°，定位板距离误差范围为±20 mm。

11）光源参数设置界面包含对各个点位光源的亮度及曝光度等参数的设定。

12）数据编辑界面包含每辆车身判定结果保存周期及删除时间的设定。

2 工程应用

将研制的车身定位视觉检测系统应用于涂装生产现场。该涂装车间全年生产时间是315 710 min，年均因车身定位不准而发生故障时间为452 min，产生报废车5辆。该检测系统自使用以来，前处理/电泳工段至今未发生因车身定位不准而导致的停线故障及报废车产生，有效确保了涂装车间运转率95.5%运营目标的达成，并实现成本节约477 648元/年。

3 结论

文章研制了一种车身定位视觉检测系统，并应用于涂装车间前处理-电泳线入口处。系统采用9个相机拍摄车身定位信息和挂具信息，实现了车身与挂具基准点相对位置误差的在线检测，并可对定位异常情况进行及时报警；系统采用样本匹配的方法获取车身定位信息，距离检测精度为±2 mm，角度检测精度为±5°。所研制的视觉检测系统取得了良好的工程应用效果，对提高涂装生产线效率和节约成本等具有重要意义。