李凌旻，尚 校，李 靖，習(xí)俊通

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.一汽模具制造有限公司，吉林長(zhǎng)春 130011）

轎車白車身的焊接制造過(guò)程由多個(gè)分總成多層次構(gòu)成.焊接過(guò)程中，工裝定位不穩(wěn)定、焊接零件變形、沖壓零件尺寸偏差、設(shè)計(jì)公差累積以及焊接操作誤差等均可能造成白車身尺寸偏差，導(dǎo)致后續(xù)整車裝配困難，影響整車配合性能［1］.因此，必須運(yùn)用白車身在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)白車身上孔、槽、柱、邊等能反映出白車身焊裝誤差的特征進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，控制焊裝誤差在各分總成間的累積并及時(shí)反饋校正，來(lái)保障白車身焊接制造的尺寸質(zhì)量.

現(xiàn)有的白車身在線檢測(cè)系統(tǒng)，按照其測(cè)量原理和方式，可以分為接觸式和非接觸式兩大類.接觸式系統(tǒng)設(shè)備主要包括測(cè)量樣架、多關(guān)節(jié)測(cè)量機(jī)及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī).其中測(cè)量樣架上的零件定位、夾緊及測(cè)量裝置只能針對(duì)固定車身部件，柔性差，往往作為在線檢測(cè)系統(tǒng)補(bǔ)充設(shè)備；多關(guān)節(jié)測(cè)量機(jī)需要人工操作移動(dòng)測(cè)頭測(cè)量車身零件，測(cè)量速度較慢；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可編程測(cè)量，柔性高，但體積過(guò)于龐大，對(duì)環(huán)境溫度及振動(dòng)控制要求高，速度較慢，因此很少應(yīng)用于在線檢測(cè).非接觸式系統(tǒng)運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，分為檢測(cè)隧道系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)兩大類.檢測(cè)隧道系統(tǒng)將一組傳感器按測(cè)點(diǎn)位置分布固定在支架上，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)速度很快；但由于傳感器位置固定，因此難以適應(yīng)多車型柔性生產(chǎn)線的檢測(cè)，傳感器數(shù)量多，成本高［2］.機(jī)器人系統(tǒng)將傳感器固定在機(jī)器人末端，構(gòu)成一個(gè)可運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)單元.相比之下，機(jī)器人式系統(tǒng)柔性高、傳感器數(shù)量少，應(yīng)用最為廣泛［3－6］.

Perceptron公司提出二維影像結(jié)合激光測(cè)距的方法，通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)拍攝一幅打光圖像及一幅線激光圖像，綜合計(jì)算測(cè)點(diǎn)位置參數(shù)［7］.該方案需要提供額外的環(huán)境光照，若光照量或光照角度不合適，拍攝特征將缺失或偏移；若攝像機(jī)成像面與測(cè)點(diǎn)所在面的夾角過(guò)大，圖像投影成像變形將變大.例如圓孔特征將變成橢圓，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，甚至無(wú)法識(shí)別測(cè)點(diǎn).天津大學(xué)提出的檢測(cè)方案［8］僅需一幅與圓孔相交的光刀圖像，通過(guò)幾何代換近似求解圓孔位置參數(shù).但該方法對(duì)攝像機(jī)位姿的要求更為嚴(yán)格，且數(shù)據(jù)量過(guò)少，僅限于圓孔及棱邊的檢測(cè).Perceptron公司Helix自動(dòng)三維掃描解決方案，通過(guò)機(jī)器人小范圍局部運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的線激光掃描測(cè)量［9］.該方案中由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)絕對(duì)精度較低，且小范圍運(yùn)動(dòng)軌跡難以精確控制，易在激光掃描過(guò)程中引入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差，不利于檢測(cè)系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制了一種基于線激光掃略的擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器白車身裝配特征機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用激光掃描測(cè)量原理，不需要額外光源，受到環(huán)境光照的影響很小.測(cè)量時(shí)，傳感器自行擺動(dòng)掃描待測(cè)裝配特征，數(shù)據(jù)量大，測(cè)量位姿較自由，并解決了掃描過(guò)程中引入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差的問(wèn)題.通過(guò)對(duì)傳感器在線標(biāo)定、裝配特征參數(shù)計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，本文開(kāi)發(fā)了白車身裝配特征機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)并投入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)白車身裝配特征快速、精密、穩(wěn)定的在線檢測(cè).

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)測(cè)量原理

如圖1所示，本文提出的白車身在線檢測(cè)系統(tǒng)基于激光掃描的測(cè)量原理.

圖1 系統(tǒng)測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement principle of system

擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器由線激光投射器、單目攝像機(jī)和精密轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，其中單目攝像機(jī)由CCD工業(yè)相機(jī)及鏡頭組成.檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人攜傳感器運(yùn)動(dòng)到最佳測(cè)量位置，由線激光投射器投射線激光至待測(cè)裝配特征表面形成光刀，通過(guò)精密轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)傳感器整體擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光刀對(duì)裝配特征的掃描.掃描過(guò)程中，攝像機(jī)被觸發(fā)拍攝一組光刀圖像，儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中.運(yùn)用面向白車身裝配特征的光刀點(diǎn)云提取算法處理圖像，提取裝配特征二維點(diǎn)云數(shù)據(jù).結(jié)合擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器標(biāo)定參數(shù)，轉(zhuǎn)換為傳感器坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云，擬合計(jì)算裝配特征對(duì)應(yīng)位置參數(shù)；最終結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)，轉(zhuǎn)換得到白車身坐標(biāo)系下裝配特征位置參數(shù)米制單位的檢測(cè)結(jié)果.

1.2 系統(tǒng)硬件集成與傳感器設(shè)計(jì)

本文提出的白車身在線檢測(cè)系統(tǒng)由兩臺(tái)攜帶擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器的6軸機(jī)器人和系統(tǒng)控制柜兩大部分組成.兩臺(tái)機(jī)器人可聯(lián)動(dòng)測(cè)量、互不干擾，分別位于白車身測(cè)量工位的左側(cè)和右前側(cè).其中，擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器是系統(tǒng)關(guān)鍵硬件，具體設(shè)計(jì)方案如下：

1.2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)數(shù)模如圖2所示.其中，基線距離d和基線夾角α，是影響傳感器測(cè)量精度的兩個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù).根據(jù)白車身待測(cè)特征測(cè)量場(chǎng)景及精度要求，確定采用16 mm鏡頭和靶面1／3英寸的CCD相機(jī)后，傳感器的工作距離D也隨之確定.固定D不變，物體表面的偏移量x所能引起的成像偏移量y越大，傳感器越靈敏，測(cè)量精度越高.建立y與變量x，d的函數(shù)關(guān)系如式（1）

式中：焦距f為定值，x與y均有正負(fù)方向，且約定：物體表面遠(yuǎn)離傳感器時(shí)取x值為正，對(duì)應(yīng)y值也為正.由式（1）可知，增加基線距離d或減小基線夾角α均可以提高傳感器測(cè)量精度；但也會(huì)增大傳感器的體積，阻礙傳感器抵達(dá)理想測(cè)量位置，增加傳感器重量，加大轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)荷要求.綜合考慮這些因素，設(shè)計(jì)傳感器基線距離d＝75 mm，基線夾角α＝48°.

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)數(shù)模示意圖Fig.2 Sketch of sensor structure model

圖3 傳感器轉(zhuǎn)臺(tái)位置示意圖Fig.3 Sketch of sensor turntable position

1.2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)位置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)安裝位置對(duì)傳感器的擺動(dòng)占用空間及轉(zhuǎn)臺(tái)扭矩都有直接影響.如圖3所示，C0為傳感器外殼質(zhì)心和形心為線激光光平面與攝像機(jī)光軸所成線面角的角平分線，C為與過(guò)C0水平線的交點(diǎn).擺動(dòng)空間方面，傳感器繞C或C0軸擺動(dòng)的占用空間均較小；轉(zhuǎn)臺(tái)扭矩方面，由于傳感器測(cè)量時(shí)并非豎直放置，拉力T遠(yuǎn)大于重力G的分量，因此轉(zhuǎn)軸中心到拉力T的垂直距離越小，轉(zhuǎn)臺(tái)所需驅(qū)動(dòng)力矩就越小.此外，傳感器繞C軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，激光器垂直距離差為

比繞C0軸小.較小的Δh可使線激光光刀圖像更清晰，光刀寬度更均勻，有利于傳感器測(cè)量精度的提高.綜合上述，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸位置為C點(diǎn).此時(shí)，傳感器具有較小的垂直距離差、較小的轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)力矩需求以及較小的擺動(dòng)占用空間.

2 擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器在線標(biāo)定

裝配特征光刀點(diǎn)云提取算法提取的光刀點(diǎn)坐標(biāo)在各圖像的像素坐標(biāo)系下，為了將光刀點(diǎn)轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)傳感器坐標(biāo)系下，需要對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；同時(shí)，由于拍攝各圖像時(shí)傳感器位姿均不同，為了將光刀點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一傳感器坐標(biāo)系下，需要對(duì)傳感器擺動(dòng)進(jìn)行標(biāo)定.

傳感器參數(shù)標(biāo)定就是要確定傳感器攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)和傳感器坐標(biāo)系下線激光光平面方程參數(shù).本文采用文獻(xiàn)［10］所述無(wú)位姿約束的標(biāo)定方法，其標(biāo)定原理是運(yùn)用所設(shè)計(jì)靶標(biāo)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的幾何性質(zhì)，獲取足夠多的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)與其在攝像機(jī)成像平面上對(duì)應(yīng)二維成像點(diǎn)，建立包含傳感器參數(shù)的方程組并求解.

傳感器擺動(dòng)標(biāo)定就是要確定傳感器擺動(dòng)過(guò)程中各拍攝時(shí)刻的傳感器位姿轉(zhuǎn)換計(jì)算式.本文采用文獻(xiàn)［11］所述的標(biāo)定方法，其標(biāo)定原理是通過(guò)分解傳感器繞轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)，分別計(jì)算轉(zhuǎn)軸方向向量、傳感器單步轉(zhuǎn)角以及傳感器單步平移，再合成求解傳感器位姿轉(zhuǎn)換計(jì)算式.

3 裝配特征點(diǎn)云提取及參數(shù)計(jì)算

白車身裝配特征主要有孔槽類特征——圓孔、螺紋孔和復(fù)合槽孔，柱狀類特征——圓柱和螺紋柱，以及折邊、修邊特征.本文將以圓孔和圓柱為例，說(shuō)明孔槽類特征和柱狀類特征各自的點(diǎn)云提取及參數(shù)計(jì)算方法.

3.1 孔槽類特征

圖4 掃描光刀與圓孔相交時(shí)的圖像Fig.4 Image of the intersection of laser line and hole

3.1.1 點(diǎn)云提取

以圓孔特征為例，傳感器擺動(dòng)掃描過(guò)程中，光刀曲線與圓孔相離、相交再相離，如圖4所示.相交時(shí)，光刀曲線從圓孔邊界處斷開(kāi)，形成兩個(gè)光刀輪廓點(diǎn)A，B，最能體現(xiàn)圓孔的幾何特性，是圓孔特征光刀點(diǎn)云提取算法的提取對(duì)象.

常規(guī)的提取方法是在圖像感興趣區(qū)域AOI內(nèi)按列遍歷計(jì)算整條光刀曲線的光刀中心點(diǎn)集，計(jì)算效率低，耗時(shí)久.本文針對(duì)圓孔特征光刀曲線僅需提取A，B兩個(gè)輪廓點(diǎn)的特點(diǎn)，提出從AOI中央開(kāi)始向兩邊搜索光刀輪廓點(diǎn)A，B，節(jié)省了遍歷時(shí)間，計(jì)算簡(jiǎn)便高效.具體提取步驟如下：

1）首先對(duì)光刀圖像做預(yù)處理：運(yùn)用式（3），以T g為閾值，對(duì)原始圖像H0閾值濾波，得到濾掉背景后的圖像H，如圖5（a）所示.

2）確定搜索起始列位置：搜索起始列應(yīng)位于圖4左右光刀點(diǎn)A，B之間.從AOI中央列開(kāi)始，計(jì)算該列AOI內(nèi)像素點(diǎn)的灰度值之和Sum1.若Sum1≠0，則該列有光刀點(diǎn)存在，不能作為搜索起始列，需繼續(xù)向左或右遍歷尋找.若Sum1＝0，則假設(shè)該列為所求搜索起始列.為排除噪點(diǎn)影響，以該列為中心，向左右各計(jì)算3列.若這些列的像素灰度和Sum2＝0，則上述假設(shè)成立，該列被確定為光刀輪廓點(diǎn)的搜索起始列，如圖5（b）所示.若遍歷AOI內(nèi)所有列，仍未找到一列滿足Sum1＝0且Sum2＝0，則說(shuō)明光刀曲線與圓孔相離，不存在待提取的光刀點(diǎn)，可直接跳過(guò)該圖像的后續(xù)處理，節(jié)省計(jì)算處理時(shí)間.

3）提取光刀輪廓點(diǎn)：由搜索起始列開(kāi)始向左右列遍歷.當(dāng)某一列AOI內(nèi)的像素灰度值之和Sum3≠0時(shí)，為排除噪點(diǎn)干擾，繼續(xù)沿遍歷方向計(jì)算5列.若這5列均有Sum4≠0，則確定為所求光刀輪廓點(diǎn).采用灰度質(zhì)心法，在AOI內(nèi)提取該列的光刀中心點(diǎn)，即此光刀輪廓點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，如圖5（c）所示.

4）結(jié)合傳感器標(biāo)定結(jié)果，將各圖像中的光刀輪廓點(diǎn)轉(zhuǎn)換到同一傳感器坐標(biāo)系下，整合成為傳感器坐標(biāo)系下的圓孔特征三維光刀點(diǎn)云，如圖5（d）所示.

圖5 圓孔特征光刀點(diǎn)云提取流程圖Fig.5 Extraction of laser point cloud of a hole

3.1.2 參數(shù)計(jì)算

圓孔特征位置參數(shù)為孔心三坐標(biāo).與現(xiàn)有方法不同［12］，本文提出降維法，將三維空間點(diǎn)云降至二維平面內(nèi)擬合圓孔，計(jì)算孔心三坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換到白車身坐標(biāo)系中.具體方法如下：

1）光刀點(diǎn)云的平面投影

圓孔的光刀點(diǎn)云在空間同一平面內(nèi).因此，運(yùn)用最小二乘法，由光刀點(diǎn)云計(jì)算此空間平面Πproj的平面方程

解得Πproj的平面方程后，將光刀點(diǎn)P0（X0，Y0，Z0）向該平面投影，實(shí)現(xiàn)光刀點(diǎn)云的降維，投影后的光刀點(diǎn)坐標(biāo)Pproj（Xp，Yp，Zp）計(jì)算如下

圖6 局部坐標(biāo)系下圓孔的參數(shù)計(jì)算Fig.6 Calculation of hole parameters in local coordination system

2）局部坐標(biāo)系下圓孔的參數(shù)計(jì)算

以投影平面Πproj為坐標(biāo)系的一個(gè)平面，運(yùn)用Gram－Schmidt正交化方法，取光刀點(diǎn)云中任意3個(gè)點(diǎn)，以其中一點(diǎn)a為原點(diǎn)，其余兩點(diǎn)b，c為向量端點(diǎn)，建立局部坐標(biāo)系o1－x1y1z1，如圖6（a）所示.將Pproj（Xp，Yp，Zp）由式（6）轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系下，得到Z坐標(biāo)均為零的光刀點(diǎn)云plocal（x1，y1，0）

式中：t1＝（xt，Yt，Zt）為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)o1在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo).在局部坐標(biāo)系下，設(shè)圓孔孔心坐標(biāo)為olocal（ao，bo，0），半徑為r，則圓的方程為

將光刀點(diǎn)云坐標(biāo)plocal（x1，y1，0）代入式（7），由最小二乘法，計(jì)算得到圓孔在局部坐標(biāo)系下的孔心三坐標(biāo).同時(shí)還能計(jì)算出圓孔的半徑，如圖6（b）所示.

3）白車身坐標(biāo)系下孔心的計(jì)算

由式（6）的逆變換，將局部坐標(biāo)系下的孔心三坐標(biāo)olocal（ao，bo，0）轉(zhuǎn)換到傳感器坐標(biāo)系下Oc（Xh，Yh，Zh），再根據(jù)機(jī)器人手眼矩陣，機(jī)器人本體矩陣和機(jī)器人外部位姿矩陣，將Oc（Xh，Yh，Zh）轉(zhuǎn)換到白車身坐標(biāo)系下，得到最終測(cè)量結(jié)果.

3.2 柱狀類特征

圖7 圓柱特征光刀點(diǎn)云提取Fig.7 Extraction of laser point cloud of a cylinder

3.2.1 點(diǎn)云提取

以圓柱特征為例，傳感器擺動(dòng)掃描并拍攝一組光刀曲線圖像，其一如圖7（a）所示.參照3.1.1節(jié)中的方法，對(duì)圖像預(yù)處理后，直接采用灰度質(zhì)心法，在AOI內(nèi)按列提取圖像中的光刀曲線中心點(diǎn)集，再整合成為傳感器坐標(biāo)系下的圓柱特征三維光刀點(diǎn)云，如圖7（b）所示.

3.2.2 參數(shù)計(jì)算

圓柱特征位置參數(shù)包括軸線方向向量和軸線中點(diǎn)的三坐標(biāo).由于線激光掃描獲取的圓柱點(diǎn)云具有單側(cè)局部性，采用傳統(tǒng)圓柱擬合方法直接求解圓柱方程參數(shù)時(shí)，最小二乘矩陣條件數(shù)過(guò)大，計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定.因此，本文針對(duì)所獲圓柱點(diǎn)云的特性，提出割線法來(lái)計(jì)算圓柱參數(shù)，即通過(guò)求取平行于軸線的割線，直接獲得軸線法向，再將圓柱沿軸線方向正投，由圓擬合計(jì)算軸線中點(diǎn)的三坐標(biāo)，具體方法如下：

1）圓柱軸線方向向量的計(jì)算

運(yùn)用最小二乘法，由圓柱點(diǎn)云擬合一個(gè)平面Πcylin，如圖8（a）所示.由于圓柱點(diǎn)云是一組沿圓柱軸線方向延伸的等長(zhǎng)圓弧，且軸向方向上的長(zhǎng)度最大，因此所擬合平面Πcylin是一個(gè)與圓柱軸線平行的割平面，圖8（b）是割平面Πcylin的俯視圖.割平面與圓柱面的兩條交線L1，L2與軸線平行.取圓柱點(diǎn)云中到割平面距離小于0.01 mm的點(diǎn)集，分別擬合交線L1，L2，如圖8（c）所示.計(jì)算兩條交線方向向量的均值并單位化，作為圓柱軸線方向向量nc（uc，vc，wc）.

圖8 圓柱軸線方向向量計(jì)算Fig.8 Calculation of direction vector of cylinder axis

2）圓柱軸線中點(diǎn)的計(jì)算

參照3.1.2節(jié)中局部坐標(biāo)系下圓孔的參數(shù)計(jì)算，以軸線方向向量nc（uc，vc，wc）為z軸建立局部坐標(biāo)系.在局部坐標(biāo)系中，將圓柱沿軸線方向正投，由所有圓柱點(diǎn)云擬合計(jì)算圓柱的圓截面方程，獲取圓心的三坐標(biāo)，即圓柱軸線中點(diǎn)的三坐標(biāo)plocal（xp，yp，zp），其中zp取圓柱點(diǎn)云z坐標(biāo)的均值.同時(shí)還能得到圓柱的直徑.再參照3.1.2節(jié)中白車身坐標(biāo)系下孔心的計(jì)算，將圓柱軸線中點(diǎn)的三坐標(biāo)plocal（xp，yp，zp）轉(zhuǎn)換到傳感器坐標(biāo)系下pc（xp，yp，zp）.最后，結(jié)合機(jī)器人手眼矩陣、本體矩陣和外部位姿矩陣，得到白車身坐標(biāo)系下的圓柱位置參數(shù)測(cè)量結(jié)果.

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用

圖9 系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用Fig.9 System integration and engineering application

基于上述研究，開(kāi)發(fā)了一套基于線激光掃略的擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器白車身裝配特征機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)，如圖9所示.為驗(yàn)證該系統(tǒng)的測(cè)量精度、速度和魯棒性，分別進(jìn)行了圓孔標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量實(shí)驗(yàn)、圓柱標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量實(shí)驗(yàn)和白車身生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)應(yīng)用，并與國(guó)際上較先進(jìn)的同類設(shè)備Perceptron在線檢測(cè)系統(tǒng)比較.

1）將直徑10 mm的圓孔標(biāo)準(zhǔn)件固定放置在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)多次測(cè)量.測(cè)量結(jié)果在表1中列出.圓孔直徑測(cè)量的平均誤差為0.013 mm，均方根誤差為0.002 mm；孔心三坐標(biāo)的均方根誤差依次為0.001 mm，0.002 mm和0.003 mm，優(yōu)于Peceptron TriCam傳感器的測(cè)量精度0.05 mm［13］.因此，本文研制的擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器具有較高的測(cè)量絕對(duì)精度和重復(fù)精度.

表1 圓孔標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量結(jié)果Tab.1 Standard hole measurement result

圖10 不同位姿的圓柱測(cè)量點(diǎn)云Fig.10 Point cloud of cylinders in different pose

2）將直徑12.5 mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)件以不同位姿放置在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)不同位姿的圓柱進(jìn)行測(cè)量.不同位姿的圓柱點(diǎn)云如圖10所示，測(cè)量結(jié)果在表2中列出.在不同測(cè)量位姿下，圓柱直徑測(cè)量的平均誤差為0.012 mm，均方根誤差為0.013 mm.因此，本文研制的擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器在不同位姿下仍能實(shí)現(xiàn)白車身裝配特征的精確測(cè)量，測(cè)量結(jié)果受傳感器位姿變化影響小，測(cè)量位姿較自由.

3）將所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于某廠地板分總成在線檢測(cè)工位，如圖9（b）所示，該工位不需要布置擋光門簾，在普通環(huán)境下即可準(zhǔn)確測(cè)量，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照變換的影響.運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)白車身上共26個(gè)裝配特征進(jìn)行在線計(jì)時(shí)測(cè)量、半動(dòng)態(tài)測(cè)量以及動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn).測(cè)量時(shí)，機(jī)器人A，B聯(lián)動(dòng)，各獨(dú)立測(cè)量13個(gè)特征.

計(jì)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)從機(jī)器人啟動(dòng)開(kāi)始到測(cè)量完畢機(jī)器人復(fù)位結(jié)束，整個(gè)測(cè)量過(guò)程耗時(shí)54 s.

半動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)用定位工裝將白車身固定，連續(xù)重復(fù)測(cè)量50次.該實(shí)驗(yàn)排除了白車身工裝定位誤差，最能夠直接反應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)精度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，其中橫軸表示13個(gè)待測(cè)特征的共33個(gè)位置分量，縱軸表示每一個(gè)位置分量50次測(cè)量的極差.A機(jī)器人測(cè)量的極差平均值為0.080 mm，最大極差為0.223 mm；B機(jī)器人測(cè)量的極差平均值為0.085 mm，最大極差為0.170 mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到Peceptron系統(tǒng)的最大極差水平0.25 mm.

圖11 半動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Result of semi－dynamic measurement

動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)用同一輛白車身來(lái)模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，每次測(cè)量過(guò)程均包含白車身工裝定位、系統(tǒng)測(cè)量和白車身下線.共進(jìn)行15次測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.A，B機(jī)器人極差小于0.42 mm的比例均為100%，也達(dá)到Peceptron系統(tǒng)檢測(cè)水平.注意到，動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯大于半動(dòng)態(tài)測(cè)量，這是由于白車身工裝定位波動(dòng)使得每次測(cè)量的白車身在原始車身坐標(biāo)系下的位置發(fā)生隨機(jī)偏移.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文測(cè)量系統(tǒng)仍能夠準(zhǔn)確識(shí)別并完成測(cè)量，因此該系統(tǒng)受測(cè)量相對(duì)位姿影響小，具有較高的魯棒性.

圖12 動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Result of dynamic measurement

表2 圓柱標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量結(jié)果Tab.2 Standard cylinder measurement result

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一套基于線激光掃略的擺動(dòng)式線激光單目視覺(jué)傳感器白車身裝配特征機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)白車身上圓孔、螺紋孔、復(fù)合槽孔、圓柱、螺紋柱、折邊點(diǎn)以及修邊點(diǎn)等裝配特征幾何參數(shù)的在線測(cè)量，為白車身焊接尺寸質(zhì)量驗(yàn)證提供了可靠的數(shù)據(jù)支持.經(jīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)受環(huán)境光照及測(cè)量相對(duì)位姿的影響很小，測(cè)量精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)同類設(shè)備的水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)白車身裝配特征快速、精密、穩(wěn)定的在線檢測(cè).

［1］ 林忠欽.汽車車身制造質(zhì)量控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 劉長(zhǎng)杰，邾繼貴，葉聲華，等.汽車白車身機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.汽車工程，2000，22（6）：373－376.

Liu Changjie，Zhu Jigui，Ye Shenghua，et al.Car body in white inspection system with machine vision［J］.Automotive Engineering，2000，22（6）：373－376.（in Chinese）

［3］ Kovac I.Flexible inspection systems in the body－in－white manufacturing［C］.Proceedings of Robot Sensing，2004.ROSE 2004.International Workshop on，Graz，Austria，May 24－25，2004：41－48.

［4］ Hossein G.Role of laser sensor systems in automation and flexible manufacturing［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2003，19：201－210.

［5］ 李正平，林忠欽，金隼，等.車身制造過(guò)程的檢測(cè)設(shè)備淺析［J］.機(jī)床與液壓，2002（6）：17－20.

Li Zhengping，Lin Zhongqin，Jin Sun，et al.Measurement machine in the manufacturing process of automobile body［J］.Machine Tool ＆Hydraulics，2002（6）：17－20.（in Chinese）

［6］ 馮維廉.白車身尺寸質(zhì)量分析預(yù)警系統(tǒng)的建立與應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［7］ Perceptron Inc.In－Process Quality Inspection［EB／OL］.［2013－10－08］.http：／／www.perceptron.com／index.php／en／in－process－quality－inspection.html.

［8］ 吳斌，孫長(zhǎng)欽，楊兵，等.結(jié)構(gòu)光傳感器在柔性視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.光電子·激光，2008，19（10）：1309－1311.

Wu Bin，Sun Changqin，Yang Bin，et al.Application technology of line－structured light sensor in flexible vision measurement system［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2008，19（10）：1309－1311.（in Chinese）

［9］ Perceptron Inc.Helix Automated 3D Scanning Solutions［EB／OL］.［2013－10－08］.http：／／www.perceptron.com／index.php／en／3d－scanning－solutions／automated－3d－scanning.html.

［10］ 李凌旻，王振興，習(xí)俊通.無(wú)位姿約束的線激光視覺(jué)傳感器參數(shù)標(biāo)定［J］.光電工程，2013，40（6）：63－70.

Li Lingmin，Wang Zhenxing，Xi Juntong.Free pose calibration of a line laser monocular vision sensor［J］.Opto－E－lectronic Engineering，2013，40（6）：63－70.（in Chinese）

［11］ Li Lingmin，Xi Juntong.Free and global pose calibration of a rotating laser monocular vision sensor for robotic 3D measurement system［C］.Proceedings of SPIE 8769，International Conference on Optics in Precision Engineering and Nanotechnology（icOPEN2013），Singapore，June 22，2013：87690I.

［12］ 楊偉，陳家新，李濟(jì)順.基于投影的二階段空間圓線擬合算法［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2009，16（2）：117－121.

Yang Wei，Chen Jiaxin，Li Jishun.Two－step spatial circle fitting method based on projection［J］.Journal of Engineering Design，2009，16（2）：117－121.（in Chinese）

［13］ Webster J G.The Measurement，Instrumentation，and Sensors：Handbook［M］.Heidelberg，Germany：CRC Press LLC，1999.