王剛，陳粵林

深圳市寶能汽車有限公司

1 引言

白車身指經過焊接的車身結構件及四門兩蓋，不包括附件及裝飾件的未涂漆車身[1]。車身的制造質量，尤其是四門兩蓋裝配質量，很大程度上決定了汽車能否達到設計性能。四門兩蓋的裝配不僅直接影響整體外觀，更對汽車駕駛體驗、安全性有重要影響，而間隙、面差特征作為車身質量控制的重要組成部分，在整車設計生產以及制造的流程里占據重要地位。裝配精度不高帶來的間隙不勻稱、相接平面突出等問題會導致汽車氣密性、風噪控制等性能不達標。

目前，四門兩蓋的裝配過程中常出現偏差，對間隙和面差特征進行精確測量從而達到國際水平的裝配程度，很大程度上可以確保乘用車的制造質量以及整體性能，也體現了我國汽車制造業(yè)的生產工藝水平。因此，在生產制造的各道工序之間以及最終整車下線前，對車身四門兩蓋的間隙特征、面差特征進行抽檢和全檢，具有十分重要的工程意義[2]。

間隙和面差特征的檢測可分為接觸式與非接觸式。接觸式檢測主要依靠人工使用特定測量工具如塞尺、千分尺和面差尺進行測量，存在人力成本高、測量慢和誤差大等問題[3]，而且問題無法及時反饋，經常發(fā)生因故障診斷延遲導致成批產品出現質量問題。非接觸式檢測主要采用光學測量儀進行間隙以及面差測量，該技術屬于機器視覺的應用，通過獲取掃描區(qū)域的點云數據進行特征定位與數值計算。

按照測量頭的布置方式，可細分為隧道檢測系統(tǒng)[4]和機器人檢測系統(tǒng)[5]兩大類。隧道檢測系統(tǒng)雖然具有較快的檢測速度，但是系統(tǒng)需要多傳感器協(xié)作，成本高，而且固定的傳感器位置難以實現柔性生產，滿足不了多車型的生產需求。因此，研究多機器人協(xié)同的白車身間隙、面差特征柔性在線檢測系統(tǒng)有迫切需求，該系統(tǒng)具有檢測數據融合、數據統(tǒng)計分析、自動判斷與報警等技術，可以通過獲取的數據及時反饋四門兩蓋的誤差信息，嚴格控制裝配合格率，有利于提升后續(xù)工序質量。并且在快速誤差信息反饋下，有利于產線上游工序的精度分析，及時調整沖壓、焊接等設備，提升整車質量。

機器人在線檢測系統(tǒng)通常由機械臂帶動傳感器先移動至待測區(qū)域，再在小范圍內局部運動獲取車身間隙、面差的點云數據以及提取特征。然而機器人運動的絕對精度不高，小范圍運動時難以精確控制運行軌跡，極易在掃描獲取數據時引入運動誤差，對系統(tǒng)整體的精確性和穩(wěn)定性有較大影響。因此，本文提出一套多機器人協(xié)同在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的三維傳感器為基于多線結構光的雙目立體視覺裝置，該裝置不需要相對運動即可獲得可靠的點云數據，可以大大減少運動誤差的影響。

2 測量原理與方法

2.1 測量原理

立體視覺基于仿生學的人類雙目立體感知原理，使用兩個面陣相機組成視覺系統(tǒng)，從兩個不同視點觀察物體或者由單個相機在不同時刻的不同角度拍攝獲取兩幅圖像，通過對立體圖像的計算分析獲取物體表面的三維形貌[6]。一般是雙相機同時從不同角度拍攝被測物體，一旦能獲得物體投影在左、右相機中對應的像素點對，即可通過空間三角法計算出物體實際三維坐標。

立體視覺重建的基本流程為：左右相機的標定(包括單獨的單目標定與立體標定)[7]，同時獲取待測物圖像，經過特征提取和立體匹配算法后，根據標定的內外參關系重建目標對象的三維坐標。

立體匹配是立體視覺中最重要和最困難的問題。當空間三維場景轉換至二維圖像時，存在一個維度的信息損失，在不同視角拍攝捕獲的同一物體圖像會有極其明顯的差異[8]。另外，環(huán)境光照、拍攝物體表面的物理特性、相機成像的噪聲干擾及畸變都會對后續(xù)匹配環(huán)節(jié)帶來許多不利因素。單純的被動立體視覺無法滿足高精度測量需求，在工業(yè)應用中，常常加入結構光作為特征，組成主動式的立體視覺[9]。通過向待測物體投射各種結構光(如點、單線、多線、單圓、網格和編碼條紋圖等)，在物體上投影形成圖案并由相機攝取，基于結構光的幾何信息以及空間三角法、3D傳感器標定結構參數等，由二維像素坐標恢復物體表面的三維信息[10]。

本文在兩個相機之外還應用了一組平行式多線結構光。該裝置具有速度快、精度高的優(yōu)點，實驗測量面差精度可達0.06mm，測量范圍大、穩(wěn)定且成本低，設備攜帶方便，受環(huán)境影響小且易于操作。裝置結構見圖1。

圖1 多線結構光3D傳感器結構

2.2 測量方法

白車身表面材質反射系數較強，采用線結構光不可避免會產生一定的反光現象[11]。同時，圖像采集或傳輸過程中會引入隨機噪聲[12]，因此在進行測量前有必要對圖像進行預處理(包括中值濾波以及高斯濾波)。在經過預處理的立體圖像中，分別進行光條中心提取以及同名點匹配，重建出多條線結構光上的點云?；趻呙璧狞c云對每條線激光進行點云聚類分割，根據單條點云數據分析統(tǒng)計出待測的間隙值和面差值。整體流程見圖2。

圖2 測量流程

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 多機器人協(xié)作

為保證測量滿足生產節(jié)拍需求，該系統(tǒng)配備4臺協(xié)作機器人同時對整個白車身進行掃描。機器人與上文所提到的3D傳感器組成測量機器人，具有體積小、運動靈活[13]和系統(tǒng)柔性強等特點，可以滿足多車型的測量需求。機器人分布見圖3。

圖3 機器人分布

車身兩側各分布有兩個機器人，每個機器人各負責單側車身的部分測量點位。當白車身進入檢測通道，通過光電傳感器定位車身位置、讀取車身型號以及傳送帶速度后調用機器人運動規(guī)劃程序，控制4個相機的運動軌跡，對四門和兩蓋的測點進行局部掃描。機器人整體功能設置與實現具體分為以下兩個方面。

(1)手眼標定

文中所提機器人指多關節(jié)多自由度的機械臂，可通過旋轉電機驅動，將機械臂末端移動至操作范圍內任意一點，與上文所提的3D傳感器組成手眼系統(tǒng)。在實際應用中，根據傳感器與機械臂的不同相互位置組成，可以將系統(tǒng)分為“eye in hand”(眼在手上的系統(tǒng))，即傳感器與機器人末端剛性連接；“eye to hand”(眼在手外的系統(tǒng))，即傳感器在機器人本體之外，位置固定且相對機器人靜止，不隨機器人一起運動。本文闡述的系統(tǒng)采用前者，使傳感器在機器人工作過程中一起移動。

在標定“eye in hand”系統(tǒng)時，由機器人基座與目標位置相對固定，可得下列的關系

(1)

由式(1)可得

因傳感器與機器人末端為剛性連接，可得

(2)路徑規(guī)劃

在測量過程中，車體沿導軌在不斷行進，需要在行進過程中對眾多目標測量點進行跟蹤測量。為實現這一功能，需要通過編碼器以一定的采樣頻率，不斷地獲取車體在導軌的位置與速度作為反饋調節(jié)，對機器人末端的位置進行校正。圖4為車體跟蹤與目標點之間的誤差。采用PID控制器(應用最廣泛的一種控制器，其按照偏差的比例、積分和微分對系統(tǒng)進行控制調節(jié)，被廣泛應用在工業(yè)控制系統(tǒng)中)，通過整定參數，實現機器人對車體的動態(tài)跟蹤拍攝，無需車輛靜止在特定位置。

圖4 車體跟蹤與目標點之間的誤差

3.2 功能設置

四門兩蓋間隙面差測量系統(tǒng)的框架結構見圖5，在中心控制系統(tǒng)的協(xié)調控制下，通過監(jiān)測傳感器、協(xié)作機器人、多線結構光3D傳感器和展示屏等完成生產線上白車身的在線檢測。

圖5 測量系統(tǒng)框架

(1)間隙面差測量中心控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)運行在工控機上，分3個主要功能模塊：①車輛監(jiān)測，該模塊通過與監(jiān)測PLC通信，獲得車型信息、車輛進入初始位置信息、車輛速度以及實時位置等；②作業(yè)控制模塊，該模塊根據監(jiān)測到的信息生成機器人測量操作路徑，與機器人控制器通信，控制機器人運動，再根據機器人末端的位置，給3D相機控制器發(fā)送指令，完成測量并讀取測量結果，該模塊與機器人控制器和3D相機控制器的通信方式均為TCP/IP；③結果組態(tài)顯示模塊，將各測點的測量結果以圖形化方式顯示。

(2)基于PLC的監(jiān)測控制子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)運行在PLC上，主要完成的功能包括：①讀取車輛型號識別傳感器，獲得車輛型號識別信息；②讀取車輛進入工位的滑橇位置，監(jiān)測光電傳感器，獲得初始位置信息(此位置作為車輛位置測量的零位)；③讀取傳送帶位置和速度測量的碼盤，獲得車身實時位置信息，同時根據碼盤讀數判斷傳送帶是否停止；④響應用戶開機、關機、復位和急停等按鈕操作；⑤將上述讀取到的信息傳送給中心控制系統(tǒng)。

(3)車型換產設置子系統(tǒng)

在管理用計算機或工控機上運行該子系統(tǒng)，主要完成在三維環(huán)境下調入車身和滑橇三維模型，設置特定車型的測點位置和測量要求等，同時可以調入機器人信息，驗證各個測點位置是否在機器人的工作范圍內，設置的結果以.xml格式存盤，并可以傳送給中心控制系統(tǒng)。

4 測量實驗

通過上述研究對測量過程進行實驗。設置車體運動速度為7m/min(0.117m/s)，機器人的運行速度為0.5m/s，加速度為0.5m/s2，相機拍照時間設置為15ms。實驗中激光器采用的是多線激光器，一次可投出11條線激光。相機為?？礛V-CA050-20UM型號相機，相機分辨率為2592×2048，幀率60fps，靶面大小1″。相機距多線激光器光軸約為60mm，其光軸之間的夾角約為15°，工作距離約為200mm。

實驗拍攝效果見圖6，重建點云示例見圖7。以人工測量值為基準，面差精度要求為±0.1mm，間隙精度要求為±0.2mm。通過測量10組面差數據以及10組間隙數據探究是否滿足誤差范圍，檢測結果如表1和表2所示，實驗中僅列出中間一條線激光的測量數據。對比將算法測量值與人工測量，面差測量值為4.48mm，間隙測量值為7.18mm?？梢钥闯?，測量偏差符合檢測要求，該系統(tǒng)可以有效提升白車身面差間隙測量的效率以及穩(wěn)定性。

圖6 拍攝效果

圖7 重建點云示例

表1 面差測量結果

表2 間隙測量結果

5 結語

現代汽車加工制造過程對幾何量檢測越來越追求大量程、高精度、高效率和低成本。四門兩蓋作為汽車車身的關鍵組成部分，其質量控制對整車制造具有重要的工程意義。因此本文提出了一種基于多線結構光與多機器人協(xié)同的白車身間隙面差在線測量系統(tǒng)，闡述了測量原理、系統(tǒng)架構設置以及整體工作流程。

采用的多線結構光雙目傳感器速度快、精度高，使用簡單、靈活，特別適合車間現場對大型覆蓋件和車身的在線檢測，通過測量可為大型工裝的修正、調整提供依據。系統(tǒng)中另一主要部分由協(xié)作機器人組成，此類機器人系統(tǒng)可滿足生產應用中的柔性需求，在整體架構不變的前提下通過設置可適應不同車型的測量任務。