总装车间车身间隙断差自动检测技术浅析

陈洋 杨耀勇 田阳 邱兆勇 滕龙

（1. 机械工业第九设计研究院股份有限公司，长春 130000；2.一汽铸造有限公司，长春 130000）

1 前言

汽车的装配是汽车产品制造过程中最重要工艺环节之一，是将经检验合格的数以百计、或数以千计的各种零部件按着一定的技术要求组装成整车及发动机、变速器等总成的工艺过程，在对汽车装配完成后，需要对装配后的整车进行各组成部件间间隙断差的测量和检验工作，针对总装车间零部件数量大，种类多，装配工作复杂且多样化的特点，如何提高总装车间装配及质量检测的自动化程度，提高装配精度、装配质量及装配效率，是目前乃至今后总装车间的研究方向，基于以上需求，在某豪华汽车总装车间生产线上，对于完成整车装配后需要进行车身表面间隙面差的质量检查的工作，探究设计并开发一套车身表面间隙断差自动检测设备，利用协作机器人与激光检测测头的协同工作及其他配套设备，形成一套自动化车身表面间隙断差检测系统，来代替质保检查人员完成手工检查车身表面间隙断差并记录检测结果的相关工作。以本豪华汽车总装车间现场实际生产为载体，从技术应用背景，整体技术方案、设备系统组成、检测数据及结果分析及应用等几个方面研究车身表面间隙断差自动检测设备在汽车总装车间生产中的应用，研究内容对于如何提升总装车间质量检测自动化水平具有参考价值，本项智能装备技术可在总装车间汽车管线检测、汽车漆面质量检测等质保工位推广使用，有助于促进协作机器人在总装车间的广泛应用。

2 应用背景及技术方案

汽车零部件之间的装配质量是评价汽车产品制造工艺水平的重要组成部分。车身装配质量的衡量标准,主要集中在对车身覆盖件与车身的间隙、面差的评价方面。在对汽车装配完成后，需要对装配后的整车进行各组成部件间间隙断差的测量和检验工作，通常总装车间完成整车装配后采用人工使用塞尺、游标卡尺及断差尺对车身各零部件总成间的间隙面差进行测量和检验，这样容易由于人工测量的主观性和人工测量较大的测量误差导致对车身表面间隙断差检测的结果产生较大的影响，导致检测结果可能无法真实有效反映车身真实的情况，不利于整车质量保障和监督，且培养一名经验丰富、技术过硬的车身表面间隙断差检测师需要多年的实践和积累，需要投入大量的资源和费用，不利于降低人工成本，不利于节省操作工位，浪费工时。故通过开发并应用本套总装车间车身间隙断差自动检测设备，整体技术方案及设备系统组成如图1、表1所示。

图1 设备系统平面布局

表1 设备系统组成

可节省本工位2 名操作工人的劳动力，提高了质量检查的效率和质量，节省人力物力，并且无需设置安全围栏，设备系统运行安全保障性高，值得推广应用。

3 设备系统组成

3.1 协作机器人

选择适合车身表面间隙断差自动检测设备的机器人是首要工作，机器人选型要综合考虑品牌、负载、臂展及拓展性等多种因素。首先，要结合使用方的使用需求及以往类似项目积累的经验，进行机器人品牌型号的初步筛选；其次，要深入分析机器人的使用工况和应用场景，进一步缩小机器人的选型范围；再者，要充分考虑到机器人在工作过程中的动作姿态和可达性，选择合理臂展的机器人；最后，再根据项目的使用环境和生产节拍等特性，判断是否需要增加机器人行走轨道，扩大机器人的工作覆盖范围。以本设备系统为例，由于传统的工业机器人在安全性方面需要增设安全围栏、安全门等安全防护措施，而协作机器人自身加装有一定数量的力度、扭矩及安全传感器，不仅能够免于设置安全围栏，节省安全围栏空间，而且还可以与操作者在同一工作空间中协同作业[1]，更加适合车身表面间隙断差检测工作的使用工况，故初步确定使用人机协作机器人作为主要载体，于此同时，由于协作机器人自身臂展有限（选用的协作机器人臂展为1 200 mm）,通过给每个协作机器人加设行走轨道的方式，增加机器人的工作范围，从而保证所有间隙面差检测位置均可达的目标。综合以上几个选型的因素及本设备系统的实际应用需求，采用UR 品牌协作机器人，协作机器人具体型号参数选择可参考表2。

3.2 视觉定位引导系统

视觉定位引导技术随着生产自动化需求程度的提高，经过不断的发展和完善，目前已经在汽车行业和众多行业中得到了广泛应用，其基本原理是利用视觉测头与机器人、工控机配合来替代人眼识别，实现更高程度的生产自动化。在车身表面间隙断差自动检测设备系统中，为了消除由输送线运输而来的整车初始位置定位与较为理想的初始位置定位之间的空间位置误差，就需要利用视觉定位引导系统进行初始位置误差的判断和计算，将误差补偿值发送给机器人系统，从而确保整套设备系统与车辆的相对位置的一致性。目前视觉定位引导技术大致可以分为二维视觉定位引导技术和三维视觉定位引导技术，其中，基于单目视觉的二维定位技术应用最为广泛，结合本设备系统的检测特点，需要通过捕捉每辆整车上选取的特征点或面的空间位置信息与车辆预设标定的信息进行比对得出补偿值，选择二维视觉定位测头即可满足定位要求，且从经济性角度考虑最优。确定选用二维视觉引导相机后，依照测头与机器人二者的位置关系，机器人视觉系统大致可以分成两种不同的类型，一种是将摄像机设置在机器人手臂的末端，确保其能够与机械手共同运动，另一种是将摄像机安装在一个相对固定的位置，并不会随着机械手运动[2]。对于本设备应用工况来说，由于需要兼顾多个不同规格尺寸的车辆的特征点的捕捉，故将视觉定位引导相机与激光检测测头一起集成在机器人末端第七轴的方式实施。确定视觉引导相机的安装形式后，视觉定位引导系统的调试工作主要有如下两个阶段，首先，进行视觉定位引导系统的标定工作，通过标定来获取物体二维像点和三维物点的相对关系；然后，通过捕捉实际生产中进入检测工位的生产车辆上的特征点的信息，与标定所得到的空间坐标信息进行比对，将计算得出的空间坐标的偏差数值补偿给设备系统，引导机器人带检测测头准确完成间隙面差的检测任务。以本设备系统为例，在标定阶段，主要完成相机的参数标定，通过一系列坐标系的转换，实现判断物体在图像中对应像素点的具体坐标的功能。需要特别强调的是，在标定过程中，必须确保一些基本参数固定，如测头的光圈和焦距等，标定工作完成，则相机内部参数将不再发生变化，因而外部参数只会因为相机拍摄图片位置和姿势的不同而有所不同[3]，从而实现了控制变量的效果。在实际生产中的车辆特征点信息识别和计算时，首先要选取车辆上合适的位置作为特征点，以本项目为例，选取车辆前风挡玻璃附近发动机罩与翼子板交界处的圆角轮廓处作为特征点，通过每次相机拍摄该特征得出的空间位置坐标与标定时的空间坐标进行对比，得出补偿值并传递给机器人控制系统，如图2 所示。

图2 视觉定位偏差捕捉与补偿

3.3 激光检测测头

车身表面间隙断差自动检测设备系统中最核心的组成部分就是激光检测测头。本项目选用两个激光检测测头为一组，利用激光三角法测量原理，具体原理如下图3 所示，激光发射器产生的激光束投射到被测物体的表面上产生一个亮点,光束在此处产生散射光,散射光束的一部分通过透镜打在了与激光器光轴线成一定夹角的感光元件上,产生图像。通过计算图像上光斑的距离可以测得物体到相机的距离。通过对相机的标定可以得到物体到相机的距离[4]。

图3 测量原理

使用激光检测测头实现车身表面间隙断差自动检测的步骤如下：对测头参数及特征平面的标定，图形处理,通过建立的模型进行特征点的提取及三维重建,特征计算得到测量结果。首先，需要完成测头的标定工作。在机器视觉的图像测量应用中,为得到空间某点的三维信息,必须建立相机成像的几何模型,以确定空间点与图像中对应点之间的相互关系,求解参数的过程称为测头相机标定。其次，进行图形处理，对选取的车身上的测量点所在区域进行设定，采用图像分割的方法，进一步定位测量数据的位置，减少提取的运算量。然后，进行特征点的提取及三维重现，采用基于图像学的特征提取，利用标定好的测头相机参数，将图形上的二维特征点转换为空间中的三维点。最后，完成特征计算，通过坐标转换把图像上的二维点特征点转化为三维重建,已转化为三维点云,对提取的特征点分别按照对应的间隙、面差模型进行计算,得到测量结果并对其进行分析。

3.4 检测数据结果分析及应用

随着汽车需求市场的变化，汽车生产行业的特征变化也愈发明显，各主机厂不断推陈出新，从定位上对消费市场进行细分，更加明显的是，主机厂对产品品质的要求也越来越高，以前只是对关键零件的关键尺寸进行批量抽检，现在需要对更多的零件的更多尺寸精度和整车装配后的间隙面差值，采用更高频次的检查，甚至全检，这对汽车产品的测量方式提出更高的效率和精度要求[5]。

以本项目需要进行间隙断差检测的车型为例，其检测点分布如下图4 所示。

图4 检测点分布示意图

检测点通常选择汽车“四门两盖”周围的点位，通过对发动机盖与翼子板间、前后门间、前门与翼子板间、后门与侧围间等多个零部件及总成之间的检测点的间隙断差的测量，得出整车的间隙断差的测量结果，并对测量结果进行如下几个方面的统计分析。

a.数据动态分析：能够对大量检测数据进行动态波动分析，显示检测数据的动态变化。

b.实现单点测量：显示单个测点的真实偏差，包含工艺ID 信息，用来查看不同零件间该测点的测量值。

c.进行单点统计：显示单个测量点在多个循环下的统计学参数。

d.提供单点概要：显示单点的测量值及趋势图，对不同零件间的同一测点给出直观的图形化理解。

e.单点趋势图：显示单个测量点在不同测量零件的测量值，显示连续多个零件上该点的工艺波动情况。

f.趋势相关性分析：能够选择多个测点，对这些测点的测量值进行相关性趋势显示。

通过对检测数据结果进行分析，研究在检测数据背后所隐藏的价值和作用，是进行车身表面间隙断差自动检测的更深层次的价值所在。

在此豪华汽车总装车间投入使用后，实现了4个车型的车身表面间隙断差自动检测，并在投入运行后的几个月的生产过程中，积累了大量的检测数据，并通过检测数据分析软件系统，实现了对测量结果数据统计及趋势分析。

图5 检测数据应用

4 结束语

以某豪华汽车总装车间生产中所采用的车身表面间隙断差自动检测这一智能装备技术应用为背景，着重介绍了该设备系统的整体技术方案、各关键组成部分的工作原理及功能配置，并对检测数据结果的分析与应用进行了阐述和说明，总而言之，车身表面间隙断差自动检测设备为汽车整车质量实现自动化、智能化检测的目标打下了坚实的基础，该设备所应用的相关技术方法可在总装车间汽车管线检测、汽车漆面质量检测等质保工位推广使用，有利于提高汽车工厂总装车间整体的自动化、智能化水平。