劉鵬祥，王冰，呂達

(特斯拉(上海)有限公司,上海 200120)

0 前言

隨著現(xiàn)代汽車智能化制造的發(fā)展，機器人越來越多地應(yīng)用于汽車制造的整個過程中。傳統(tǒng)的人工手持加注槍置身于車身內(nèi)部或底部進行汽車空腔發(fā)泡作業(yè)，重復(fù)性的工作不僅勞動強度大、效率低，而且受個人工作狀態(tài)的影響，容易發(fā)生生產(chǎn)質(zhì)量不一致性的情況。除此之外，整個作業(yè)過程中車身一直隨輸送鏈移動，存在一定安全隱患。因此，迫切需要實現(xiàn)機器人自動加注汽車空腔泡沫。

在汽車空腔填充的泡沫是一種雙組分聚氨酯的混合反應(yīng)物，應(yīng)用于對噪聲和震動的控制，讓汽車的隔音、減振、降噪(包括風(fēng)噪、路噪和胎噪)效果顯著增強，最大程度提高NVH性能；同時能有效提高車身剛度、車輛承載能力、橫梁和立柱穩(wěn)定性、車輛防撞性等整車性能[1]。雙組分聚氨酯經(jīng)加注槍混合室充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在汽車空腔內(nèi)順著板縫之間的空隙迅速膨脹，形成固態(tài)泡沫狀的物質(zhì)，直至填滿整個空間。固態(tài)泡沫在空腔內(nèi)的成型效果主要取決于加注量、封堵時間、加注角度等因素，這些因素的控制僅僅依靠人工存在很大隨機性，無法保證每臺車身的制造質(zhì)量一致性。

目前，關(guān)于使用機器人進行汽車空腔自動發(fā)泡的研究和應(yīng)用缺乏，類似的應(yīng)用存在一些案例，如齊黨進[2]實現(xiàn)了基于3D視覺跟蹤的汽車主胎隨動安裝并搭建測試平臺進行了驗證；李樂平[3]提出了先用2D視覺尋找目標(biāo)物體區(qū)域，再對區(qū)域的3D點云做物體姿態(tài)估計的整體方案；劉波等人[4]將視覺相機與工業(yè)機器人相結(jié)合，實現(xiàn)了機器人自動抓取棒料并向加熱單元上料的過程。本文作者針對這個問題進行了有益探索，提出一種基于3D視覺引導(dǎo)機器人準(zhǔn)確識別加注孔并精準(zhǔn)控制加注槍頭插入加注孔的角度，結(jié)合機器人的計時器功能嚴格限定每個加注孔的加注量及封堵時間，從而實現(xiàn)汽車空腔填充泡沫一致性的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 布局仿真

整個自動發(fā)泡系統(tǒng)由工業(yè)機器人、3D視覺系統(tǒng)、3D激光視覺傳感器、光源系統(tǒng)、控制中心及機械結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。工業(yè)機器人使用FANUC M710iC/50，集成視覺功能于一體；3D視覺系統(tǒng)由3臺KOWA SC130E B/W系列相機組成，該相機具有圖像讀取速度快、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點,安裝在車身底部3個角的位置；光源系統(tǒng)用于維持環(huán)境的光照強度，照射車身定位孔的重要特征；3D激光視覺傳感器由一套2D相機和激光發(fā)射器構(gòu)成，相機與激光發(fā)射器呈30°夾角裝配；控制中心核心為西門子PLC和上位機PC，負責(zé)工位與輸送鏈通信、上位機邏輯輸入、機器人程序執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控。

圖1 仿真布局Fig.1 Simulation layout

1.2 作業(yè)流程

使用3D視覺引導(dǎo)機器人手持加注槍執(zhí)行空腔自動發(fā)泡的作業(yè)流程如圖2所示。

(1)車身隨輸送鏈移動至靜止位置，機器人啟動3D視覺系統(tǒng)進行車身位置定位，獲得車身位置的視覺補償值；

(2)機器人帶著車身視覺補償值進入車身空腔發(fā)泡區(qū)域，啟動3D激光視覺傳感器獲得加注孔的空間視覺補償值；

(3)機器人帶著加注孔視覺補償值將加注槍頭垂直插入加注孔，與液壓定比計量系統(tǒng)經(jīng)PLC進行通信，控制加注量和封堵時間；

(4)所有車身空腔發(fā)泡完成，機器人退出至安全位置，車身隨輸送鏈移動至下一個工位。

圖2 作業(yè)流程Fig.2 Operation process

2 視覺引導(dǎo)過程

2.1 相機標(biāo)定

車身位置是由車身上選取的3個特征孔圓心位置作為參考，通過幾何約束條件計算出車身重心位置。為確定特征孔圓心的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機參數(shù)，求解參數(shù)的過程稱之為相機標(biāo)定。在整個相機標(biāo)定過程中，存在4個坐標(biāo)系如圖3所示，即用戶坐標(biāo)系Ow、相機坐標(biāo)系Oc、圖像物理坐標(biāo)系Oi、圖像像素坐標(biāo)系Oo，建立從用戶坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系的關(guān)系。

圖3 坐標(biāo)關(guān)系示意Fig.3 Schematic diagram of coordinate relationship

基于張正友法[5-6]進行相機標(biāo)定，標(biāo)定模板使用等間距實心黑圓陣列圖案，角點數(shù)為12×13。標(biāo)定流程如下：

(1)標(biāo)定模板安裝在機器人末端法蘭盤上(對于3D視覺系統(tǒng))或附加在一個平坦的表面上(對于3D激光視覺傳感器)；

(2)使用機器人標(biāo)定功能通過移動相機或平面拍攝標(biāo)定模板，標(biāo)定模板保持間距20 cm的平行關(guān)系，拍攝兩張圖片；

(3)檢測圖片中的特征點誤差；

(4)計算出相機的內(nèi)外參數(shù)。

2.2 車身位置補償值

車身位置隨輸送鏈移動至靜止位置，每臺車身在工作站內(nèi)的位置與基準(zhǔn)車身存在一定偏差。為了實現(xiàn)3D激光視覺傳感器拍攝加注孔的位置保持相對不變，必須要定位車身的空間位置。在車身數(shù)模中選取并測量3個特征孔圓心的坐標(biāo)，將車身數(shù)模坐標(biāo)系中3個特征孔圓心的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為用戶坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由不在同一直線的3點確定一個平面原理可知，求出用戶坐標(biāo)系下的車身重心位置，將此重心作為基準(zhǔn)位置。下一臺車身移動至靜止位置時，3D視覺系統(tǒng)拍攝車身的3個特征孔并檢出圓心的位置，求解出該車身的重心在用戶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，與基準(zhǔn)位置的坐標(biāo)進行相應(yīng)的矩陣運算，求解出視覺補償值。

這里的難點在于如何計算出車身數(shù)模中3個特征孔圓心相對于用戶坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)。根據(jù)相機參數(shù)矩陣M及特征孔圓心在圖像像素坐標(biāo)系中的位置(u,v,1，可獲得9個線性方程組，其中未知量12個，即1號特征孔圓心(xw1,yw1,zw1和比例因子zc1，2號特征孔圓心(xw2,yw2,zw2和比例因子zc2，3號特征孔圓心(xw3,yw3,zw3和比例因子zc3。根據(jù)車身數(shù)模測量的3個特征孔圓心位置數(shù)據(jù)可計算出它們之間的距離，引入點與點之間的距離作為判斷，獲得3個非線性方程組。由以上12個方程組形成的約束條件求解出12個未知量，即可得到3個特征孔圓心在用戶坐標(biāo)系的位置，從而計算出車身重心相對于用戶坐標(biāo)系的坐標(biāo)。特征孔圓心坐標(biāo)及重心坐標(biāo)如表1所示。

表1 特征孔圓心坐標(biāo)及重心坐標(biāo)

2.3 加注孔位置補償值

為保證發(fā)泡材料的利用率和膨脹效果，加注孔與加注槍頭之間的直徑公差控制在0.1 mm以內(nèi)。加注孔的空間位置是由3D激光視覺傳感器精準(zhǔn)識別的，使用2D相機檢出加注孔2D圖像輪廓，確定加注孔中心在用戶坐標(biāo)系下的x和y坐標(biāo)，以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)rz，激光發(fā)射器發(fā)射兩束激光點線，投射到加注孔所在平面，激光點會出現(xiàn)在相機視場的不同位置，從而確定用戶坐標(biāo)系下的z坐標(biāo)，以及繞X軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)rx和繞Y軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)ry，綜合兩者數(shù)據(jù)求解出加注孔的三維空間坐標(biāo)。 3D激光視覺傳感器定位原理示意如圖4所示。

圖4 3D激光視覺傳感器定位原理示意Fig.4 Positioning principle of 3D laser vision sensor

下一臺車身加注孔的實際位置TR與設(shè)定的基準(zhǔn)位置TB(見表2)作矩陣運算，求解出加注孔的位置補償值TV，三者關(guān)系可以表示為

TV=TR-1TF

(1)

加注孔的位置和方向數(shù)據(jù)被傳遞給機器人用于視覺引導(dǎo)，機器人帶著視覺補償值垂直插入加注孔，實現(xiàn)加注槍頭與加注孔的相對位置保持固定。

表2 基準(zhǔn)位置坐標(biāo)Tab.2 Coordinate of reference position

3 自動發(fā)泡控制

為實現(xiàn)自動化作業(yè)流程，需要使用PLC和上位機PC遠程控制機器人和液壓定比計量系統(tǒng)。機器人手持加注槍頭垂直插入加注孔，向系統(tǒng)控制中心PLC發(fā)送加注量信息和開槍指令，PLC接收后轉(zhuǎn)送至液壓定比計量系統(tǒng)，控制兩種組分材料的儲料罐啟動，雙組分材料在加熱至80 ℃時，經(jīng)過出料管路進入計量泵，按照設(shè)定的1∶1比例流入加注槍混合室，當(dāng)槍口打開狀態(tài)時，混合反應(yīng)物直接進入車身空腔，并迅速膨脹充滿整個空腔。發(fā)泡結(jié)束后，機器人接收PLC反饋的指令，計時器啟動計時，保持封堵加注孔一定的時間(默認為2 s)，保證泡沫膨脹完全成型。機器人再移動至下一個發(fā)泡區(qū)域，以此類推完成所有的發(fā)泡作業(yè)。液壓定比計量系統(tǒng)工作原理示意如圖5所示。

圖5 液壓定比計量系統(tǒng)工作原理示意Fig.5 Working principle of hydraulic constant ratio metering system

4 仿真測試與生產(chǎn)驗證

4.1 仿真測試

在仿真軟件中模擬車身位置在基準(zhǔn)位置的基礎(chǔ)上發(fā)生X、Y、Z方向上的移動和旋轉(zhuǎn)，平移量取值范圍為-20～20 mm，旋轉(zhuǎn)量的取值范圍為-2°～2°，確認加注槍頭是否可以保持垂直姿態(tài)插入加注孔。這里使用加注槍嘴中心和加注孔中心的重合度作為評判標(biāo)準(zhǔn)，使用坐標(biāo)(0,0表示基準(zhǔn)車身的位置，測試條件如表3所示，測試結(jié)果見圖6和圖7。

表3 仿真測試條件Tab.3 Simulation test conditions

圖6 車身平移后測量的重合度Fig.6 Coincidence measured after body translation

圖7 車身旋轉(zhuǎn)后測量的重合度Fig.7 Coincidence measured after body rotation

從圖6和圖7看出：車身在X、Y、Z軸方向上發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)后，加注槍頭均能準(zhǔn)確插入加注孔。偏差值坐標(biāo)圍繞著(0,0上下隨機波動，均落在半徑為0.1 mm的圓內(nèi)，偏差最大值坐標(biāo)為(-0.071,0.06，重合度0.093<0.1 mm。

4.2 生產(chǎn)驗證

在某個主機廠的涂裝車間應(yīng)用該自動發(fā)泡系統(tǒng)，現(xiàn)場生產(chǎn)如圖8所示，經(jīng)過一周不斷地生產(chǎn)驗證及視覺參數(shù)優(yōu)化及調(diào)整，取得了很好的生產(chǎn)效果。平均每日的生產(chǎn)量可達600臺，系統(tǒng)在實際生產(chǎn)使用中的自動發(fā)泡成功率大于99.5%，制造質(zhì)量一致性良好。局部失敗原因多是由于前道工序作業(yè)人員安裝的線纜遮擋視覺拍照視野或相機鏡頭表面存在灰塵污染等，經(jīng)過現(xiàn)場說明及清潔，使用效果明顯提升。

圖8 現(xiàn)場生產(chǎn)實物Fig.8 On site production objects

5 結(jié)論

結(jié)合汽車空腔發(fā)泡生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出利用3D視覺引導(dǎo)機器人精確識別加注孔，自動完成車身空腔發(fā)泡作業(yè)的解決方案，得出以下結(jié)論：

(1)建立了機器人自動發(fā)泡系統(tǒng)的仿真模型，說明了系統(tǒng)的主要組成部分和作業(yè)流程；

(2)分析了視覺引導(dǎo)機器人識別加注孔的工作步驟及原理，基于相機標(biāo)定建立從用戶坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系的關(guān)系，分別計算出車身位置補償值和加注孔位置補償值；

(3)研究自動發(fā)泡控制工作過程，建立機器人、控制中心PLC及液壓定比計量系統(tǒng)之間通信邏輯，保證發(fā)泡成型效果；

(4)在仿真中模擬了車身在X、Y、Z方向上發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)后，機器人帶著視覺補償值插入加注孔的效果，加注槍頭與加注孔的重合度始終控制在0.1 mm以內(nèi)，最大值為0.093 mm；并結(jié)合實際生產(chǎn)驗證，自動發(fā)泡生產(chǎn)效果良好。

下一步將進一步分析不同車身顏色或環(huán)境光線條件下，自動發(fā)泡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。