非接觸光學系統在汽車分總成測量中的應用

文/劉維·海克斯康測量技術(青島)有限公司

非接觸光學系統在汽車分總成測量中的應用

文/劉維·海克斯康測量技術(青島)有限公司

汽車車門、前蓋、后蓋及側圍等分總成在汽車制造過程中需要進行高精度測量。傳統的檢測方法無法滿足車間現場、大批量的快速檢測。本文給出了一種車間型、高效的非接觸光學測量系統，實現了對汽車車門及前后蓋的快速、高精度在線測量，為汽車質量控制提供了完美的非接觸三維測量解決方案。

對于現代化的汽車制造業來說，高效率的測量設備在確保汽車質量和穩定生產中發揮著極其重要的作用。汽車車門、前蓋、后蓋及側圍等分總成在制造過程中需要進行高精度測量。傳統的檢測方法有檢具檢測、三坐標檢測等。但是以上方法都存在一定的缺陷，如傳統的檢具一般只針對一項參數檢驗，多為手工操作，工作效率不高；而三坐標檢測雖然精度高，但需要良好的溫度環境控制，而且柔性較差，無法滿足車間型的、大批量的快速檢測。本文針對這種情況，介紹一套運用先進的非接觸測量技術的三維光學數碼測量系統。該系統具有百分之一秒的圖像采集速度，不受光線、溫度及振動等因素的影響，可以在車間等惡劣環境中工作，能夠快速測量工件尺寸，準確提供零件全表面、邊界、孔、表面點及截面線等特征的測量數據。

先進的光學測量系統結合以功能完善的測量軟件能夠有效保證測量任務的順利完成，并實現了對坐標程序、測量程序和報告系統的有序管理。報告系統為客戶提供了全面的色差分析數據及特征尺寸評價數據；數據統計功能能夠有效監控生產過程的穩定性，實現對生產過程的控制，保證汽車生產質量。

光學測量原理

光學測量系統使用結構光、非接觸測量。結構光是基于光學的三角法測量原理，通過光源將一定模式的結構光投射到物體的表面，在表面形成由被測物體表面形狀所調制的光學三維圖像，該三維圖像通過三組相機拍攝獲得物體二維的畸變圖像。系統根據結構光的3D信息，利用三維重構技術經過計算機計算處理得到物體表面的三維坐標信息。整個系統的投影及拍照原理如圖1所示。

圖1 結構光圖像采集原理示意圖

當投影光通過帶有編碼的光柵時，編碼結構的投影在物體表面上發生了變形，三組相機以特定的角度同時拍攝被測物體表面，從而每個相機從不同的方向上獲得物體的二維圖像信息，根據光學三角測量原理，利用圖像處理技術重構被測物體的三維圖像信息。

測量系統組成

測量系統采用多項最新技術，高分辨率數字相機、LED照明技術、碳纖維結構外殼以及快速的數據采集和處理，能夠克服苛刻的生產環境條件，如振動、溫度和環境光的變化，并且適用于標準工業機器人。不論被測物體的大小、復雜性和幾何特征如何，通過此套測量系統均能得到豐富的尺寸信息。

系統精度高、重復性好，自動測量以工業機器人為依托，集成了旋轉轉臺、導軌，具有測量速度快、柔性強等特點，可以同時滿足多種車型的測量需求。實現工件的全尺寸測量，既可以對單個工件進行質量控制，也可以對批量測量數據進行統計分析，監控整個生產過程，保證生產的穩定性。

自動測量系統包含光學測量系統、工業機器人、轉臺、導軌、PLC安全控制系統、光幕、柔性測量支架、圍欄。轉臺分別用于多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板及側圍等工件的測量，實現了“換取工件不占用測量時間，機器持續工作”的現代化工作理念，極大提高了測量效率。自動測量系統各部件的布局如圖2所示。

整個光學測量系統可以在車間現場進行安裝及使用，不受振動、光線變化及溫度的影響，能夠快速獲取被測工件表面的點云數據，自動完成測量數據與CAD模型的對比。機器人作為執行測量的載體，重復定位精度高、運動速度快，能夠快速完成測量工作，而且其柔性好，可以根據不同的車型編制不同的程序，滿足測量需求。轉臺攜帶柔性的測量支架，在機器人測量的同時，操作人員可以準備下一次的測量任務。測量支架設計滿足不同車型同類零件的支撐，無需更換專用的測量支架，這進一步提高了測量效率，同時減少了操作人員的工作強度。

圖2 自動測量系統布局圖

測量方案

為了保證測量效率，利用多工位多轉臺測量方案，可以分別進行多種車型的四門、前蓋、后蓋、翼子板、側圍等分總成的測量。圖3為多工位系統仿真布局圖。

多工位測量系統使用的轉臺可以進行360。旋轉，方便測頭從不同角度進行測量。每一個工位上使用一套通用夾具，滿足不同零件的測量要求，當一個工位在進行測量時，其他工位可以進行上下料操作。考慮到安全保護，當操作人員進入正在測量的工位時，機器人自動停止；當機器人進入操作人員正在工作的工位，機器人同樣要立即停止動作。機器人補償校驗系統用于光學測頭校驗和機器人溫度補償，保證測量系統的精度。

圖3 多工位系統仿真布局圖

測量系統能夠實現對工件表面的數據分析，根據表面測量數據與CAD模型進行對比，產生色差圖。系統能夠對圓孔、槽、方孔、法蘭孔、圓柱和球等特征，利用多角度定位拍攝技術，精確測量孔位及實體的位置和尺寸，并且能夠對表面點、包邊點、切邊點及單點測量，實現對零件關鍵點的控制，快速分析測量階差和縫隙，清晰明了地反映實際工件與數模的差距，保證零件生產質量。圖4顯示了車門尺寸及色差分析圖。

圖4 車門色差分析圖

安全保護

由于機器人移動速度快，操作安全是重中之重。系統使用PLC、安全繼電器、光柵、安全門作為硬件保護，Devicenet作為現場通信總線組成安全控制系統，通過硬件和軟件兩個方面完成安全保護。

硬件方面：采用標準的工業機器人安全系統，通過PLC控制，使用安全繼電器直接控制機器人的安全回路。另外，還有轉臺保護裝置，安全門的開關與對應的轉臺串聯保護，通過光幕隔開機器人工作區域，更好地保護操作人員的安全。

軟件方面：通過機器人編程，定義機器人的每條運動指令時只定義當前使用的軸組，使三個轉臺中與當前任務不相關的軸從軟件中被去除，從而在軟件上進一步對操作安全進行保護。

安全保護邏輯：當機器人測量過程中接觸到啟動的光幕或機器人維修安全門打開，機器人會馬上停止運動。當操作人員更換測量工件時，一旦打開安全門，光幕與轉臺鎖定保護啟動，如果轉臺突然發生轉動，操作人員或者機器人接觸光幕，機器人也會停止運動。

安全保護流程如圖5所示。

圖5 安全保護流程圖

圖6 面向對象的數據驗證方法

測量數據驗證

系統采用了面向對象的數據驗證方法，如圖6所示，即測量數據與三坐標測量數據直接對比：在三坐標和機器人光學測量系統上，測量同一個工件上的相同特征（如圓、曲面點和邊界點等）。圖7顯示車門的測量數據與理論值偏差在±0.10mm以內。

圖7 三坐標與測量系統車門測量數據對比報告

結束語

機器人協同轉臺的非接觸光學測量系統具有“一鍵”測量操作功能，簡化的操作界面，實現了“傻瓜式”測量操作，并且系統能夠自動校驗測頭，進行溫度補償。

功能強大的測量軟件有效地保證了測量任務的順利完成，為客戶提供了全面的色差分析數據及單點特征測量數據；強大的SPC數據統計功能，有效地保證生產過程的穩定性，實現對汽車生產過程的控制；獨特的、面向對象的測量數據分析方法，進一步驗證了測量數據的可靠性、真實性和有效性。

該測量系統能夠方便地實現與車間現場的融合，快速提供測量反饋，為客戶提供零件的全面質量分析數據，并大大降低設備的投入及時間成本，從而為高品質汽車生產與質量控制提供了又一先進、實用的測量解決方案，因此，將被廣泛應用于車間現場的在線質量監控領域。

劉維，工程師，主要研究方向：非接觸光學測量，主要技術成果：規劃并實施了上海大眾首套機器人白光在線光學測量系統。