馮 睿，葛 騰，馬 強(qiáng)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車行業(yè)競爭日趨激烈，對各車企制造質(zhì)量及效率提出了更高的要求，傳統(tǒng)焊裝車間內(nèi)，由于以下各種原因：車身零部件制造誤差、零部件對中臺放置誤差、車身輸送誤差、車身拼裝誤差等各項誤差的累積，造成在白車身自動拼裝焊接過程中零部件放置不到位，焊接錯誤導(dǎo)致生產(chǎn)不良率升高。通過在白車身拼裝，焊接的發(fā)那科機(jī)器人上安裝iRvision 視覺系統(tǒng)[1]，有效地避免工藝前序的各種累積誤差，提高自動化生產(chǎn)效率。

1 現(xiàn)狀

圖1 為某車間某線體頂蓋總成上件焊接工位布局圖（局部），改進(jìn)前該工位頂蓋總成需要上料操作工使用簡易吊具從頂蓋料框位置⑥轉(zhuǎn)移至上件對中臺位置⑦，搬運機(jī)器人再從上件對中臺抓件上件至主線滾床上，4 臺焊接機(jī)器人通過點焊將頂蓋總成焊接到白車身上。由于頂蓋零件總成較重，人工通過吊具上件至對中臺效率較低，且不同車型對中臺無法共用，不同車型對中臺需要占用車間一大塊場地存放。類似的分總成廠外件都存在同樣的問題，隨著人力成本的不斷提升，焊裝車間分總成上件的痛點已成為阻礙整線自動化提升的突出問題。

圖1 現(xiàn)場布局

2 視覺方案設(shè)計

針對以上痛點，經(jīng)過外部考察及方案對比，因料框中零件放置精度無法滿足上件定位精度要求從現(xiàn)場空間、效率、成本、設(shè)備柔性、設(shè)備穩(wěn)定性等角度進(jìn)行分析，決定該工位采用機(jī)器人配合視覺系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造提升，可直接從料框中識別零件放置偏差，通過視覺識別校正機(jī)器人抓取位置，實現(xiàn)機(jī)器人能從料框中自動上件至主線白車身上定位拼接，直接省去了上料操作工及上件對中臺，極大提升該工位自動化率[2]。

主要考慮圖2 和圖3 兩種方案，兩種方案的主要區(qū)別在于拍照相機(jī)是安裝在地面固定支架上，還是安裝在機(jī)器人工具側(cè)與機(jī)器人隨動。

圖2 固定式相機(jī)

圖3 手持式相機(jī)

鑒于抓取的頂蓋總成零件是堆疊在料框中進(jìn)行抓取，選取的視覺鏡頭在400 mm 距離拍照效果最佳，固定式相機(jī)會存在每層零件拍照景深不一致，導(dǎo)致計算出來偏差值會隨著與標(biāo)定面距離越遠(yuǎn)，偏差值精度越低，且手持式相機(jī)可大范圍移動，實現(xiàn)各種拍照姿態(tài)，能有效解決不同車型選取最優(yōu)特征點位置不同的問題，所以視覺方案采用手持式相機(jī)方案（圖3），并結(jié)合激光測距傳感器判斷零件在料框內(nèi)所在層數(shù)[3]。

2.1 相機(jī)及光源選型

視覺系統(tǒng)硬件主要由控制裝置、相機(jī)線纜、相機(jī)鏡頭、光源、測距傳感器組成，整個系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。前端的相機(jī)鏡頭、光源及測距傳感器都安裝在視覺支架上，通過機(jī)器人管線包內(nèi)的線纜連接到控制裝置外部接口，其中相機(jī)鏡頭和光源需要根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行匹配選型。綜合考慮穩(wěn)定性、拍照距離、通信、成本及現(xiàn)場工況等，相機(jī)鏡頭選擇KOWA 的SC130E B/W 相機(jī)匹配8mm 焦距鏡頭，同樣拍照高度下，鏡頭越小，拍照范圍越大；光源選擇奧普特OPT-R‖2000 的DPA電流型數(shù)字控制的4 通道環(huán)形光源。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 視覺支架設(shè)計

視覺支架如圖5 所示，全部連接件采用鋁合金材質(zhì)，既保證牢固穩(wěn)定，在機(jī)器人運行過程中不晃動，又較輕量化，減少機(jī)器人工具端負(fù)載。視覺支架連接在換槍盤上，與工具抓手分離開，在切換不同車型抓手的時候視覺鏡頭共用，且通過機(jī)器人移動覆蓋不同車型特征點位置。環(huán)形光源能套裝在鏡頭外圈，占用體積小，旋轉(zhuǎn)氣缸連接防塵蓋，可以在非拍照時間有效保護(hù)鏡頭和光源被焊塵污染。

圖5 視覺安裝支架

2.3 特征點選取

視覺抓取特征點選取，最好選擇零件上有精度要求的通孔，選取2 ～3 個特征點計算出偏移精度較為準(zhǔn)確，特征點需要明暗對比明顯。

特征點不選用沒有尺寸精度的孔位、沖壓形面或者邊緣輪廓，否則視覺糾偏精度將受到特征點精度的影響而最終抓取失敗。如圖6 中頂蓋零件總成選取了前端兩個銷孔的位置，銷孔精度的是±0.1 mm，滿足零件定位精度。

圖6 特征點選取孔位

2.4 邏輯框架

視覺程序邏輯框架如圖7 所示，由于整框料零件有8 層，機(jī)器人通過測距傳感器設(shè)定拍照距離值，緩慢下探至傳感器反饋到位信號即停止，拍照得到當(dāng)前零件圖像。在圖像中設(shè)定檢測范圍掃描特征，根據(jù)與標(biāo)定特征點的尺寸及輪廓模型對比算法，計算出掃描到特征點與標(biāo)定模型之間，在機(jī)器人坐標(biāo)系下X、Y 方向及Z 軸旋轉(zhuǎn)量的偏差值，將偏差值輸入機(jī)器人OFFSET 指令寄存器內(nèi)，添加到標(biāo)定抓取軌跡點后進(jìn)行零件抓取軌跡補(bǔ)正。

圖7 程序邏輯框架

3 現(xiàn)場實施

現(xiàn)場實施涉及以下內(nèi)容：

（1）料框地面鎖緊機(jī)構(gòu)安裝（對料框進(jìn)行定位）；

（2）視覺支架安裝；

（3）相機(jī)、鏡頭、光源安裝及布線；

（4）鏡頭防塵板及旋轉(zhuǎn)氣缸安裝；

（5）視覺鏡頭標(biāo)定；

（6）示教特征點模型；

（7）視覺系統(tǒng)程序編寫調(diào)試。

在所有硬件安裝和線纜連接完成后，將對相機(jī)鏡頭進(jìn)行標(biāo)定，其作用是讓機(jī)器人和鏡頭之間建立相對空間位置關(guān)系，整個實施過程中鏡頭標(biāo)定是至關(guān)重要的一步，該步驟準(zhǔn)確性將直接影響視覺偏移計算的誤差大小，其關(guān)鍵點是固定校準(zhǔn)板和篩除誤差較大標(biāo)定點。

現(xiàn)場運行照片如圖8 所示，視覺系統(tǒng)上線使用后，統(tǒng)計千件拍照識別成功率為99.2%。該工位實施改造后，頂蓋總成取件節(jié)拍由原人工40s/件，提升至24s/件；減少了每班次上料操作工1 名，3 個班次共計3 名；取消了原人工上件對中臺及人工上件踏臺，生產(chǎn)線場地節(jié)省5 m2，減少車間4 種車型頂蓋上件對中臺存放空間18 m2。

圖8 現(xiàn)場運行照片

4 結(jié)束語

本案例通過采用機(jī)器人視覺系統(tǒng)自動上件替代了原有人工調(diào)運對中臺上件的方式，既提升了生產(chǎn)線的自動化率又為車間節(jié)省了不同車型對中臺工裝的存放空間，達(dá)到降本增效的目標(biāo)，降低了生產(chǎn)運行成本和空間成本[4]。本案例可推廣到車間各類零件分總成人工上件工位，為實現(xiàn)焊裝車間智能制造方向又邁出了一步。