文/劉維·?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司

非接觸光學系統(tǒng)在汽車分總成測量中的應用

文/劉維·?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司

汽車車門、前蓋、后蓋及側(cè)圍等分總成在汽車制造過程中需要進行高精度測量。傳統(tǒng)的檢測方法無法滿足車間現(xiàn)場、大批量的快速檢測。本文給出了一種車間型、高效的非接觸光學測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對汽車車門及前后蓋的快速、高精度在線測量，為汽車質(zhì)量控制提供了完美的非接觸三維測量解決方案。

對于現(xiàn)代化的汽車制造業(yè)來說，高效率的測量設(shè)備在確保汽車質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。汽車車門、前蓋、后蓋及側(cè)圍等分總成在制造過程中需要進行高精度測量。傳統(tǒng)的檢測方法有檢具檢測、三坐標檢測等。但是以上方法都存在一定的缺陷，如傳統(tǒng)的檢具一般只針對一項參數(shù)檢驗，多為手工操作，工作效率不高；而三坐標檢測雖然精度高，但需要良好的溫度環(huán)境控制，而且柔性較差，無法滿足車間型的、大批量的快速檢測。本文針對這種情況，介紹一套運用先進的非接觸測量技術(shù)的三維光學數(shù)碼測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有百分之一秒的圖像采集速度，不受光線、溫度及振動等因素的影響，可以在車間等惡劣環(huán)境中工作，能夠快速測量工件尺寸，準確提供零件全表面、邊界、孔、表面點及截面線等特征的測量數(shù)據(jù)。

先進的光學測量系統(tǒng)結(jié)合以功能完善的測量軟件能夠有效保證測量任務的順利完成，并實現(xiàn)了對坐標程序、測量程序和報告系統(tǒng)的有序管理。報告系統(tǒng)為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及特征尺寸評價數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能能夠有效監(jiān)控生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，保證汽車生產(chǎn)質(zhì)量。

光學測量原理

光學測量系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)光、非接觸測量。結(jié)構(gòu)光是基于光學的三角法測量原理，通過光源將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射到物體的表面，在表面形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的光學三維圖像，該三維圖像通過三組相機拍攝獲得物體二維的畸變圖像。系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息，利用三維重構(gòu)技術(shù)經(jīng)過計算機計算處理得到物體表面的三維坐標信息。整個系統(tǒng)的投影及拍照原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)光圖像采集原理示意圖

當投影光通過帶有編碼的光柵時，編碼結(jié)構(gòu)的投影在物體表面上發(fā)生了變形，三組相機以特定的角度同時拍攝被測物體表面，從而每個相機從不同的方向上獲得物體的二維圖像信息，根據(jù)光學三角測量原理，利用圖像處理技術(shù)重構(gòu)被測物體的三維圖像信息。

測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)采用多項最新技術(shù)，高分辨率數(shù)字相機、LED照明技術(shù)、碳纖維結(jié)構(gòu)外殼以及快速的數(shù)據(jù)采集和處理，能夠克服苛刻的生產(chǎn)環(huán)境條件，如振動、溫度和環(huán)境光的變化，并且適用于標準工業(yè)機器人。不論被測物體的大小、復雜性和幾何特征如何，通過此套測量系統(tǒng)均能得到豐富的尺寸信息。

系統(tǒng)精度高、重復性好，自動測量以工業(yè)機器人為依托，集成了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、導軌，具有測量速度快、柔性強等特點，可以同時滿足多種車型的測量需求。實現(xiàn)工件的全尺寸測量，既可以對單個工件進行質(zhì)量控制，也可以對批量測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

自動測量系統(tǒng)包含光學測量系統(tǒng)、工業(yè)機器人、轉(zhuǎn)臺、導軌、PLC安全控制系統(tǒng)、光幕、柔性測量支架、圍欄。轉(zhuǎn)臺分別用于多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板及側(cè)圍等工件的測量，實現(xiàn)了“換取工件不占用測量時間，機器持續(xù)工作”的現(xiàn)代化工作理念，極大提高了測量效率。自動測量系統(tǒng)各部件的布局如圖2所示。

整個光學測量系統(tǒng)可以在車間現(xiàn)場進行安裝及使用，不受振動、光線變化及溫度的影響，能夠快速獲取被測工件表面的點云數(shù)據(jù)，自動完成測量數(shù)據(jù)與CAD模型的對比。機器人作為執(zhí)行測量的載體，重復定位精度高、運動速度快，能夠快速完成測量工作，而且其柔性好，可以根據(jù)不同的車型編制不同的程序，滿足測量需求。轉(zhuǎn)臺攜帶柔性的測量支架，在機器人測量的同時，操作人員可以準備下一次的測量任務。測量支架設(shè)計滿足不同車型同類零件的支撐，無需更換專用的測量支架，這進一步提高了測量效率，同時減少了操作人員的工作強度。

圖2 自動測量系統(tǒng)布局圖

測量方案

為了保證測量效率，利用多工位多轉(zhuǎn)臺測量方案，可以分別進行多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板、側(cè)圍等分總成的測量。圖3為多工位系統(tǒng)仿真布局圖。

多工位測量系統(tǒng)使用的轉(zhuǎn)臺可以進行360。旋轉(zhuǎn)，方便測頭從不同角度進行測量。每一個工位上使用一套通用夾具，滿足不同零件的測量要求，當一個工位在進行測量時，其他工位可以進行上下料操作?？紤]到安全保護，當操作人員進入正在測量的工位時，機器人自動停止；當機器人進入操作人員正在工作的工位，機器人同樣要立即停止動作。機器人補償校驗系統(tǒng)用于光學測頭校驗和機器人溫度補償，保證測量系統(tǒng)的精度。

圖3 多工位系統(tǒng)仿真布局圖

測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對工件表面的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)表面測量數(shù)據(jù)與CAD模型進行對比，產(chǎn)生色差圖。系統(tǒng)能夠?qū)A孔、槽、方孔、法蘭孔、圓柱和球等特征，利用多角度定位拍攝技術(shù)，精確測量孔位及實體的位置和尺寸，并且能夠?qū)Ρ砻纥c、包邊點、切邊點及單點測量，實現(xiàn)對零件關(guān)鍵點的控制，快速分析測量階差和縫隙，清晰明了地反映實際工件與數(shù)模的差距，保證零件生產(chǎn)質(zhì)量。圖4顯示了車門尺寸及色差分析圖。

圖4 車門色差分析圖

安全保護

由于機器人移動速度快，操作安全是重中之重。系統(tǒng)使用PLC、安全繼電器、光柵、安全門作為硬件保護，Devicenet作為現(xiàn)場通信總線組成安全控制系統(tǒng)，通過硬件和軟件兩個方面完成安全保護。

硬件方面：采用標準的工業(yè)機器人安全系統(tǒng)，通過PLC控制，使用安全繼電器直接控制機器人的安全回路。另外，還有轉(zhuǎn)臺保護裝置，安全門的開關(guān)與對應的轉(zhuǎn)臺串聯(lián)保護，通過光幕隔開機器人工作區(qū)域，更好地保護操作人員的安全。

軟件方面：通過機器人編程，定義機器人的每條運動指令時只定義當前使用的軸組，使三個轉(zhuǎn)臺中與當前任務不相關(guān)的軸從軟件中被去除，從而在軟件上進一步對操作安全進行保護。

安全保護邏輯：當機器人測量過程中接觸到啟動的光幕或機器人維修安全門打開，機器人會馬上停止運動。當操作人員更換測量工件時，一旦打開安全門，光幕與轉(zhuǎn)臺鎖定保護啟動，如果轉(zhuǎn)臺突然發(fā)生轉(zhuǎn)動，操作人員或者機器人接觸光幕，機器人也會停止運動。

安全保護流程如圖5所示。

圖5 安全保護流程圖

圖6 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)驗證方法

測量數(shù)據(jù)驗證

系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)驗證方法，如圖6所示，即測量數(shù)據(jù)與三坐標測量數(shù)據(jù)直接對比：在三坐標和機器人光學測量系統(tǒng)上，測量同一個工件上的相同特征（如圓、曲面點和邊界點等）。圖7顯示車門的測量數(shù)據(jù)與理論值偏差在±0.10mm以內(nèi)。

圖7 三坐標與測量系統(tǒng)車門測量數(shù)據(jù)對比報告

結(jié)束語

機器人協(xié)同轉(zhuǎn)臺的非接觸光學測量系統(tǒng)具有“一鍵”測量操作功能，簡化的操作界面，實現(xiàn)了“傻瓜式”測量操作，并且系統(tǒng)能夠自動校驗測頭，進行溫度補償。

功能強大的測量軟件有效地保證了測量任務的順利完成，為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及單點特征測量數(shù)據(jù)；強大的SPC數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，有效地保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對汽車生產(chǎn)過程的控制；獨特的、面向?qū)ο蟮臏y量數(shù)據(jù)分析方法，進一步驗證了測量數(shù)據(jù)的可靠性、真實性和有效性。

該測量系統(tǒng)能夠方便地實現(xiàn)與車間現(xiàn)場的融合，快速提供測量反饋，為客戶提供零件的全面質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，并大大降低設(shè)備的投入及時間成本，從而為高品質(zhì)汽車生產(chǎn)與質(zhì)量控制提供了又一先進、實用的測量解決方案，因此，將被廣泛應用于車間現(xiàn)場的在線質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域。

劉維，工程師，主要研究方向：非接觸光學測量，主要技術(shù)成果：規(guī)劃并實施了上海大眾首套機器人白光在線光學測量系統(tǒng)。