焦楊 方志彬 劉繼成 梁進城 楊偉 聞向陽

（長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，長春130033）

1 前言

智能視覺技術是人工智能技術的1個分支，就是用視覺設備代替人眼完成測量、檢查、引導、識別等功能，實現減少人工、降低勞動強度、對接信息化智能化建設等。視覺檢測技術的主要組成部分包括光源、視覺相機、圖像處理器、計算機處理系統、執(zhí)行機構等[1]。視覺檢測技術作為工業(yè)技術中的1個細分領域，涉及到圖像處理、數字圖像轉換、機械工程、自動化檢測、光源設計、圖像傳感器技術、模擬電子信號、數字信號處理技術、人機協同技術等，每1項技術的發(fā)展都會影響到視覺技術的進步[2]，其中母子圖像傳感器、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）和電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）攝像機、數字信號處理（Digital Signal Process?ing，DSP）、ARM嵌入式技術、圖像處理和模式識別等技術的快速發(fā)展，有力地推動了智能視覺技術的快速發(fā)展。智能視覺技術主要分為3類：單目視覺技術、雙目視覺和多目視覺，其中單目視覺即安裝單個攝像機進行圖像采集，一般只能獲取到二維圖像，主要應用在智能機器人領域。雙目視覺技術是1種模擬人類雙眼處理環(huán)境信息的方式，通過2個攝像機從外界采集一幅或者多幅不同視角的圖像，從而建立被測物體的三維坐標。多目視覺技術采用了多個攝像機以減少盲區(qū)，降低錯誤檢測的機率。

本文主要探索智能視覺技術在汽車內飾生產中的研發(fā)應用，如在汽車內飾儀表板裝配、鑲嵌注塑、座椅裝配等生產過程采用智能視覺技術進行檢測、引導、糾偏等功能，通過應用智能視覺技術進行檢測，不但減少了檢測的操作人員，同時將誤檢率降到“0”，通過應用智能視覺技術中的引導與糾偏功能，提升了自動化應對復雜工況環(huán)境的能力和設備層的智能化水平。

2 智能視覺技術在儀表板金屬件裝配及檢測工序的應用

在應用智能視覺技術時，應對其主要應用參數和技術過程了解，如主要技術參數有鏡頭焦距（mm）、FOV（視場）、WD（物距）、CCD芯片尺寸、像素單元尺寸、測量精度等，具體計算公式如下。

式中，f為焦距；WD為物距；CCD為芯片尺寸；FOV為視場。

像素單元尺寸：如1200×104像素、1/1.7英寸鏡頭（1/1.7英寸鏡頭對角線尺寸為9.5 mm、靶面寬7.6 mm、靶面高5.7 mm），根據寬高比為4∶3可以計算出寬度像素點為4 000，高度像素點為3 000，每個像素點的大小為CCD芯片尺寸（H or V）/H or V像素點，經計算為1.9 μm，即像素點大小為1.9 μm×1.9 μm；測量精度：如視場為530 mm×397.5 mm，分辨率為4 000×3 000，即橫向或縱向測量精度為0.132 5 mm。

汽車內飾儀表板在裝配過程會安裝各類型的金屬件，如圖1所示，包含簧片螺母、卡子以及夾片，不同車型所需安裝的數量在20～130，圖2為某車型儀表板各類金屬件數量及位置分布。簧片螺母用于配合環(huán)境件（如儀表板上的電子件、各類裝飾條、出風口、各類塑料件等）與儀表板本體連接的螺釘，卡子和夾片主要用于環(huán)境件與儀表板本體的卡接。

圖1 儀表板裝配各類型金屬件

圖2 儀表板各類型金屬件分布

目前儀表板各類型金屬件傳統的安裝模式為人工方式，由于數量多、形狀復雜尖角多，其中夾片和卡子在安裝時需要力較大，所以對操作者的手指傷害較大，不符合人機工程要求。在裝配后的檢測工位，由于各類型金屬件數量多且分布范圍廣，所以人工檢測經常出現錯誤。針對這種狀態(tài)，開發(fā)了儀表板金屬件自動安裝及智能檢測裝置（圖3），主要由機器人、視覺糾偏與檢測裝置、金屬件抓手、固定胎膜與夾緊裝置、震動料盤、控制系統等組成。震動料盤主要負責將各類型的金屬件進行排序，機器人帶動抓手完成金屬件的抓取與安裝、固定胎膜，夾緊裝置主要承擔儀表板固定作用，視覺糾偏與檢測裝置首先完成金屬件裝配前各個位置的精確掃描，機器人按照視覺掃描圖像位置進行安裝軌跡調整，防止出現裝不上現象，同時肩負著裝配完成后對各類型金屬件裝配數量的檢測功能。多數工業(yè)機器人應用場景中，機器人的動作軌跡需要通過預先示教以及離線編程來指定，加工過程只是簡單重復預先設定的動作，但是當工作環(huán)境或者工件的位置、大小發(fā)生微小改變時，機器人如果仍按照預先設定動作行走會影響加工或裝配的精度，智能視覺糾偏、引導與定位技術解決了上述問題[3]。本裝置采用了機器人與智能視覺糾偏技術相結合方式，克服了注塑儀表板骨架微變形的影響，提升了每次安裝金屬件的位置精度，正確安裝率＞99.5%。儀表板金屬件自動安裝及智能檢測裝置的使用，每班減少1名操作者，同時避免了各類型金屬件漏裝。

圖3 儀表板金屬件自動安裝及智能檢測裝置

3 智能視覺技術在汽車內飾儀表板、門內護板總成檢測方面的應用

智能視覺目前在汽車內飾儀表板、門內護板總成的檢測方面也進行開發(fā)應用，如儀表板金屬件數量檢測、門內護板總成各種顏色配置檢測，針對小批量多品種的生產線研發(fā)了柔性智能視覺檢測裝置（圖4），大批量單品種生產線研發(fā)應用了固定式智能視覺裝置（圖5）以更好的匹配生產線節(jié)拍。柔性智能視覺裝置由6軸機器人（特殊帶第7軸）、視覺鏡頭、固定胎膜、外罩箱體、控制系統組成，優(yōu)點是可以兼顧多產品，缺點是檢測節(jié)拍較長。固定式智能檢測裝置由多個視覺鏡頭、固定胎膜、外罩箱體、控制系統和滑動軌道組成，優(yōu)點是節(jié)拍快，缺點是只能針對1種固定產品進行檢測。

圖4 柔性智能視覺檢測裝置

圖5 固定式智能視覺檢測裝置

如在大批量單品種汽車門內護板總成顏色配置檢測中我們采用固定式智能視覺，通過視覺拍照結果與準時化訂單信息進行匹配，以驗證生產裝配過程是否出現配置錯誤的現象，如圖6中汽車門內護板的裝飾條和中部插件的顏色識別?；跈C器人自動裝卡扣與視覺檢測系統，包括6軸機器人、工業(yè)相機、線性光源和卡扣安裝夾具。由于儀表板骨架存在微小變形或儀表板擺放后偏移等因素導致機器人在安裝卡扣時存在位置變化的情況，為了糾正位置偏差該項目加入了視覺糾偏功能。

圖6 不同顏色配置的汽車門內護板

機器人視覺系統捕捉安裝夾具與儀表板相對位置關系圖像，上位機處理采集的圖像并計算出儀表板當前位置與模板位置偏差，該偏差數據反饋給機器人系統，實現糾偏系統的閉環(huán)控制。系統硬件由相機、鏡頭、光源、PLC、上位機、機器人組成。軟件主要由VC++6.0、相機軟件、Wincc Flexi?ble等。

將安裝卡扣中心作為基準點，偏移量分為X、Y、Z（圖7），模板坐標為X1、Y1、Z1，當前坐標為X2、Y2、Z2，因此偏移量分別為X=X2-X1、Y=Y2-Y1、Z=Z2-Z1。將數據發(fā)送給上位機進行數據處理，得到精準位置進行安裝。

圖7 智能視覺坐標系

4 智能視覺技術在注塑鑲嵌自動化裝置中的應用

注塑鑲嵌是汽車內飾生產中常用的注塑工藝，主要用在儀表板氣囊區(qū)域的織物鉸鏈和金屬件注塑鑲嵌，圖8為織物鉸鏈通過自動化裝置掛在模具上的狀態(tài)，圖9為織物鉸鏈和金屬螺母注塑鑲嵌后的成品。所謂鑲嵌注塑是指預先將嵌件放到模具中，隨后合模注塑成型，開模后嵌件被包裹到注塑產品內，從而實現嵌件與注塑件有效結合。注塑鑲嵌工藝的優(yōu)點有產品一次成型、節(jié)約部分注塑模具、省去了裝配或焊接工序等。在注塑鑲嵌過程中智能視覺的作用主要是檢測織物及金屬件在模具上是否放到位，同時檢測成品鑲嵌件的位置是否正確。

圖8 織物鉸鏈掛在注塑模具狀態(tài)

圖9 注塑鑲嵌后的氣囊盒成品

設計智能視覺裝置基于桁架機器人視覺的織物檢測裝置，包括桁架機械手和安裝在Z軸末端上的工業(yè)相機、線性光源和織物抓取夾具。工業(yè)相機的輸入/輸出端分別與中央控制器的輸入/輸出端連接。桁架機械手在織物平臺上抓取織物，將織物放入注塑磨具中；采用相機采集織物的紋理圖像作為基準模板，選取織物特征為圖像對比區(qū)域，設置合理的對比閾值進行判斷織物擺放是否正確，根據對比結果進行報警或合格輸出，確?？椢飻[放中無脫落。由于注塑磨具開模后空間有限，因此選用體積較小的基恩士IV2簡易視覺相機，內置光源，相機尺寸44 mm/24 mm/30 mm，相機配有AI圖像識別傳感器，光源亮度與對焦具有自動調節(jié)功能，可實現“自動”設定與調整，穩(wěn)定檢測。最小安裝距離可實現WD=20 mm，視野V=7.5 mm，視野H=10 mm（圖10）。

圖10 安裝距離與視野比例

5 智能視覺技術在座椅裝配生產線中的應用

汽車座椅座墊與靠背連接是座椅裝配過程的關鍵特性項，要求每側4個擰緊螺栓要達到設定扭矩值范圍（標準值為45 N·m±4.5 N·m）、擰緊螺栓的順序和角度正確、使用符合標準類型的螺栓。所以此工位設計了座靠自動化螺栓擰緊裝置（圖11）完成各連接螺栓的擰緊。座靠自動化螺栓擰緊裝置安裝視覺引導系統，主要包括FANUC機器人、工業(yè)相機、線性光源、PLC和英格索蘭扭矩槍。由于座椅裝配線體在傳輸過程中定位精度不高，導致座靠連接固定螺母在位置與傾斜角度上會出現一定的偏差，如不進行引導糾正，扭矩槍會出現扭矩、傾角等報警，導致合格率低而增加返修，為了精準定位該項目加入了視覺引導功能。機器人視覺引導系統捕捉座靠固定螺母位置圖像，相機軟件計算出固定螺母位置坐標與螺紋導向角度等參數（圖12），再將數據傳送給機器人系統進行引導安裝。系統軟件主要有VC++6.0、相機算法軟件、TIA Portal V15等。

圖11 汽車座椅座靠自動化擰緊裝置

圖12 數據傳送系統

6 結束語

隨著智能制造的深入推進，智能視覺技術將會在更多領域內應用，目前汽車內飾生產行業(yè)多采用二維視覺技術，完成單點或多點進行檢測、引導、糾偏等任務，同時能與制造執(zhí)行管理系統進行通訊，完成生產一線的實時數據采集。在二維視覺技術應用的基礎上會逐步引入三維視覺技術，針對空間多維檢測、目標深度檢測、高分辨率檢測等方面進行應用研發(fā)[4]。伴隨著三維視覺技術進一步發(fā)展，其在汽車內飾生產行業(yè)的應用場景會越來越多，其與二維視覺檢測技術相輔相成，各自發(fā)揮自身獨特優(yōu)勢，可有效降低制造成本，提升汽車內飾生產的智能化水平，為建設智能工廠打下基礎。