視覺引導技術在汽車制造中的應用實例

盧小豪 劉德志 吳耿雄 張科

摘 要：隨著圖像傳感器、光場條件、圖像處理技術、計算能力等重要技術的發展，視覺引導技術在近幾年得到了跨越式的發展，逐漸應用在裝備制造、精密加工、汽車制造等行業。文章介紹視覺引導技術在汽車制造行業的總裝車間應用案例，說明視覺引導的實用技術方案和原理，并根據使用現狀預測未來視覺引導技術的發展方向。

關鍵詞：視覺引導技術;汽車制造;總裝車間;應用實踐

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-232-04

Application of visual guidance technology in automobile manufacturing

Lu Xiaohao，?Liu Dezhi，?Wu Gengxiong，?Zhang Ke

（?GAC Honda Automobile Co.， Ltd，?Guangdong Guangzhou 510700?）

Abstract：?With the development of important technologies such as image sensors， light field conditions， image processing technology， computing power and so on， vision guidance technology has developed by leaps and bounds in recent years and has been gradually applied in equipment manufacturing， precision machining， automobile manufacturing and other industries. This paper illustrates the practical technical scheme and principle of vision guidance with an example of its applications in the assembly workshop of the automobile manufacturing industry， and predicts the development directions of vision guidance technology in the future according to the application status.

Keywords：?Visual guidance technology;?Automobile manufacturing;?General assembly workshop;?Application practice

CLC NO.：?U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-232-04

前言

汽車制造包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大車間，其中尤其以總裝車間工程最為繁雜，需求人數多，這是由總裝車間的作業特點決定的。總裝工藝具有典型的裝配內容柔性大，變化大的特點，但裝配基準要求精密、準確，裝配手段復雜，因此總裝車間的自動化水平受到天然限制低于其他車間^[1]。

近年來，視覺引導技術的蓬勃發展，不斷克服了圖像取樣不清晰、圖像處理速度慢、光源干擾大等客觀困難^[2]，已經成為自動化設備的“慧眼”，能夠準確的引導機器人完成一系列精細操作，能夠適應汽車制造中總裝車間的生產特點。視覺技術在中國制造2025背景下大有可為，其中在具有代表性的汽車制造領域，自動化程度逐年上升的總裝車間里視覺引導技術的身影也逐漸多了起來。

1?視覺引導技術的發展

視覺引導技術通俗的表達就是給工業機器人裝上眼睛，可以為機器人提供各類視覺信息，指導機器人實現精準動作，完成一系列復雜精密的工程作業。其中視覺相機就是眼睛^[3]，可以獲取圖像信息，圖像處理器相當于大腦，處理圖像并提取需求的信息，最終傳遞給執行機構，使工業機器人更智能的完成各種作業。視覺引導技術主要依賴它的三種重要組成部分，分別是光場設計、視覺相機和圖像處理。在20世紀50年代就有人提出視覺技術的概念，但直到70年代出現CCD圖像傳感器，視覺引導技術才開始真正的發展^[4]，80年代的圖像處理技術獲得突破，視覺技術開始快速發展^[5]，直到2000年出現LED任意光場設計^[6]，視覺引導技術才真正具有實用意義，如今視覺相機像素高達千萬，圖像處理速度以億級運算，光源設計更加精細智能，視覺技術真正進入了智能應用階段^[7]。

2?視覺引導技術應用實例

汽車制造中的總裝車間涉及到大量的裝配作業，裝配作業常常需要按照既定的安裝基準進行，例如輪胎的安裝、前后擋風玻璃的安裝等，富有經驗的操作工能夠輕松熟練的按照基準裝配，而如果交由按照示教軌跡運行的機器人完成，車身輕微的位置變化都會產生較大的安裝偏差，機器人并不會意識到偏差存在而只能按照示教軌跡安裝，最終只會導致安裝不良的發生^[8]。

以某汽車主機廠總裝車間為例，借助視覺引導技術是給機器人裝上眼睛，引導機器人完成一系列復雜精準的動作，使機器人不再拘泥于固定的運動軌跡，而是可以根據實際情況的變化，不斷調整運動軌跡，實現需要的功能。

2.1 輪胎自動化安裝

利用視覺引導技術完成輪胎的自動化安裝，最大的難點就是精準確定輪胎孔位和輪盤螺栓的位置，視覺定位的偏差不能超過2mm，否則彈性套筒無法吸收偏差。

汽車制造中輪胎的自動化安裝步驟包括：

其中輪胎孔位的定位和輪盤螺栓的定位均使用到視覺引導技術，首先對來件位置不固定的輪胎進行拍照，經過圖像處理后，定位到輪胎的5個孔位精確位置，并將位置信息傳遞至機器人，由機器人執行抓取動作;再次對汽車的輪盤視覺拍照，經過圖像處理，準確定位輪盤上5個螺栓的精確位置，并將信息傳遞至機器人，由機器人執行輪胎孔位對準螺栓，并由擰緊軸自動擰緊，完成輪胎安裝。如果沒有視覺引導，那么機器人就像是沒有眼睛，失去了準確動作的方向^[9]，更無法完成誤差允許只有2mm的精確對位動作。

使用視覺相機對輪盤進行拍照，拍照時光場開啟，提供穩定光源，雙目相機對輪盤拍照，經圖像處理軟件對曝光度、灰度^[10]等處理后，可以準確的顯示5顆螺柱的形狀，經過計算處理視覺照片的偏差值，提取關鍵的位置信息，最終將5顆螺柱的位置坐標傳輸至機器人控制系統，進而使機器人根據定位信息執行安裝動作。從拍照至開始安裝整個視覺引導過程不超過3秒，同時系統會將視覺拍照的相關照片與數據進行保存，方便后續追溯使用。

2.2.2 加強劑涂布視覺引導

汽車的前后擋風玻璃安裝前，需要在安裝玻璃的窗框周圍涂布一圈車身加強劑，用以增強與玻璃的粘合效果，車身加強劑的涂布質量影響到玻璃粘合的效果，如果涂布的軌跡出現偏差或任何一個位置出現漏涂、少涂都會嚴重影響到最終的車輛品質。并且車身放置于吊具上在生產線上流動，由于吊具精度存在偏差，車身的位置并不恒定，如何使機器人對不同偏差的車身都能涂出同樣完美的軌跡？這就需要利用視覺引導技術來糾正位置偏差。

加強劑涂布的步驟包括：

視覺引導技術原理是首先由視覺相機對車身前擋進行拍照，經圖像曝光、灰度處理后，可以準確的識別4個特征點，根據4個特征點的綜合位移情況，計算機得出偏差值，并將偏差值反饋給涂布機器人，機器人根據偏差值最終形成合適的運動軌跡，完成加強劑的涂布，視覺引導的過程用時約2秒。

2.2.3 前后擋風玻璃自動安裝

前后擋風玻璃的安裝由人工轉向自動化安裝，就必須將原來由人工判斷玻璃安裝的準確位置由機器人完成，玻璃的安裝有著嚴格的位置要求，以某車型為例，前擋風玻璃與前擋立柱的左右間隙不能大于8.9mm，間隙差不能超過1.5mm，車頂段差不能超過2.5mm，若超過間隙，則可能出現漏水的品質隱患，屬于品質不良，車輛即報廢。因此使用機器人自動化安裝玻璃則必須精準的控制玻璃安裝的坐標。要想實現精準安裝，則需要借助視覺引導技術。

前后擋風玻璃的安裝步驟包括：

利用視覺引導技術，機器人安裝的偏差控制出色，經200臺車的測量，相較于人工安裝間隙差下降至1mm，半小時強淋（模擬強降雨）測試，機器人自動安裝的車輛無一漏水，成功率100%。

2.2.4 車門密封膠自動涂布

汽車車門的裝配有一道重要工序，就是裝配防水膠紙，防水膠紙可以有效隔絕雨水、潮氣和噪音，防水膠紙是由車門密封膠粘合在車門內飾上，而密封膠的涂布不僅對密封膠涂布的軌跡有要求，還對出膠量、膠型有要求。密封膠的涂布質量關系著汽車的品質，而人工涂膠常常難以控制涂出膠型統一、膠量均勻、軌跡固定的密封膠，因此?采用機器人自動涂膠是一個更優的選擇，但是如何使機器人在車門吊具存在偏差的情況下每次都可以涂出完美的膠型呢？同樣也是需要使用視覺引導技術。

車門密封膠自動涂布的步驟包括：

利用2只2D視覺鏡頭組成雙目視覺定位系統進行3D定位，每側由1臺機器人攜帶一套視覺系統對車門涂膠軌跡進行精確定位，1臺機器人根據定位結果進行涂膠;

2.2.5?繼電器分揀

總裝車間電裝線裝配項目中有一項繼電器安裝的工程，需要將16個不同規格的繼電器元件安裝在繼電器盒中，人工安裝比較費時費力并且對于員工的健康有一定損傷，因此利用視覺引導技術檢測繼電器元件的規格，揀選不同安裝位置的繼電器元件，由機器人抓取繼電器元件完成自動組裝。

視覺引導的主要步驟：

以繼電器的顯著特征，如顏色、字碼等作為識別信息，視覺攝像頭采樣后，圖像處理軟件分析出各個元件的規格區別，最終控制機械手進行分揀。

3 未來總裝車間的可應用場景

3.1 FEM自動合裝

前端模塊總成（FRONT END MODLE）包含防撞梁、水箱、風扇、冷凝器等零件整體作為總成件，由機器人抓取FEM總成并安裝在車頭前段。

在FEM的安裝過程中，需要使用視覺引導技術分別定位FEM零件位置與車頭前段安裝孔的位置，引導機器人精確定位，執行抓取或安裝動作。

3.2 座椅自動投入

汽車座椅的安裝同樣也可以使用機器人自動投入，但需要注意的是，人工投入座椅時一般借助輔具，由工人控制座椅與車身的間距，防止碰撞造成刮傷。使用機器人投入時，則需要精準的控制投入軌跡，否則機器人沒有反饋機構，發生碰撞時也不會收到反饋，但每臺車的位置并不相同，這時就需要采用視覺引導技術，首先對車身的特征點拍照，得到特征點的位置偏差后，經計算反饋給機器人，然后由機器人抓取座椅，根據計算結果的位置坐標，決定投入的運動軌跡，完成座椅的安全投入。

4 展望與結論

視覺引導技術在汽車制造中應用在許多場景中^[11]，并取得不錯的效果，說明視覺技術的發展方向是充滿潛力的。同時，隨著視覺技術的實踐越來越多，有更多更具體的要求等著視覺技術達成。如：

（1）視覺引導技術需要更加集成化和模塊化，現在使用視覺技術常常需要單獨一臺機器人完成視覺引導，另一臺機器人完執行，不僅成本較高也占用空間和時間成本。

（2）視覺引導技術需要更快的通訊和計算速度;現在的視覺拍照處理與傳輸，常常需要3秒左右的時間，速度還是不夠快，在爭分奪秒的生產線上，節省一秒就代表節省巨大的成本，創造巨大的利潤，可以預想隨著5G和云計算的發展，通訊和計算又將迎來進步。

（3）視覺引導技術應在隨行引導方面取得突破，在非靜止狀態下完成視覺引導需要大量的計算，需要不斷判斷物體的移動狀態，逐漸在移動中完成擬合。

制造業的未來方向是自動化和智能化，成本下降和效率提升是企業不變的追求，而視覺技術作為高端制造領域的細分技術，必將發揮更大的能量。眼睛是心靈的窗戶，視覺技術就是工業制造的“慧眼”。

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