白車身外觀件輪廓激光信號處理技術的裝配防錯檢測方案

宋宏偉

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

在當前競爭日益激烈的汽車行業，各主機廠新車型、細分產品的投放越來越普遍。由此帶來的整車制造生產線上，一系列針對細微差異零件防錯技術探究和實施的方案，成了整車制造生產線上近年來備受關注的課題[1]。

本文所述技術項目是在北京奔馳全新C級轎車（V206）車身工廠裝配線上開發和實施完成的。目的是在白車身外覆蓋件存在變種且區別較小的前提下，自動識別錯裝、漏裝問題，從根本上解決該項質量隱患。經過充分的技術分析與開發，將基于圖像識別技術的新技術穩定地引入系列化生產控制中，通過智能化的監控手段提升質量監控水平，降低質量風險。

技術方案設計

1.課題背景

新C級轎車車型在車身工廠裝配完成線工藝上，白車身外覆蓋件存在如下兩個位置的產品變種。

（1）發動機蓋 有優雅版機蓋（不帶棱線，見圖1）和運動版機蓋（帶棱線，見圖2）。由于兩種機蓋除了棱線區別，無其他明顯的不同，產品差異不顯著，容易造成錯裝的風險。一旦發生錯裝，在后續生產流中，只有從車身生產控制系統讀取車型詳細配置后專門進行機蓋的比對才能識別，這將導致錯裝的機蓋流向最終客戶的高風險。

圖1 優雅版機蓋

圖2 運動版機蓋

（2）天窗 有小天窗（見圖3）和全景天窗。V206車型的燃油版和混動版均存在小天窗和全景天窗兩種配置，二者在白車身骨架上并無區別。其中小天窗車型需要在白車身裝配線進行小天窗的裝配安裝。工藝設計上在全自動裝配線ST050工位安裝頂蓋總成。全景天窗配置則由后續總裝車間安裝玻璃天窗總成。

圖3 V206小天窗車型的頂蓋

前期試裝過程中，曾出現過發動機蓋、頂蓋錯裝車型流入后續總裝車間的情況。頂蓋錯裝直接導致整車報廢，發動機蓋錯裝雖可進行維修更換，但由于總裝后的整車，包含很多內飾件，拆車工作量大，且新機蓋的全工藝非標生產十分復雜繁瑣?？傊b配完成線的外覆蓋件配置錯裝一旦發生，錯誤成本很高，因而有必要對其進行防錯措施技術探討。

2.方案設計

（1）針對有無頂蓋的白車身檢測方案 是否存在頂蓋，可通過零件的有無來區分，即空間上有無物體來實現。該項功能可由應用較廣的漫反射光電傳感器完成，如圖4所示。即在設備光電傳感器的檢測距離范圍內，傳感器發出激光線，如果在距離內遇到物體發生發射并接收后，隨即生成信號返回PLC系統，實現車型的比對，如果信息比對不上，則報警停線提示操作者進行人工確認，達到自動質量監控的目的。

圖4 光電傳感器

（2）針對發動機蓋的優雅版和運動版 機蓋的優雅版和運動版的區別在于表面的兩根棱線，無法簡單通過位置、通過性等來實現防錯檢驗，可行性的手段只能通過差異輪廓拍照識別進行比對?；谌欠瓷湓?，采用投射光照射零件表面，并由攝像機捕捉反射光線，通過坐標換算，計算出截面的輪廓信息。并將輪廓信息的特征點進行識別，與之前建的樣本照片（master picture）比對后得出車型種類的識別結果，并在系統內生成IO信號輸出，指導PLC運行和判別機蓋與車型配置的匹配性，從而達到質量智能自動監控的目的。檢測原理如圖5所示。

圖5 基于零件輪廓信息采集計算的機蓋識別系統原理

3.現場試驗驗證

為了驗證上述理論方案的可行性，在V206車型新產品投放試裝階段，即開始在目標工位（裝配完成線線尾）進行原理驗證與功能測試。其中對于探測頂蓋有無的傳感器方案應用十分成熟，行業內案例廣泛。下文對發動機蓋的有棱、無棱檢驗進行著重介紹。

（1）針對優雅版機蓋（不帶棱）在現場測試時，經由激光器發出的投射光在零件表面反射后，相機拍攝的畫面處理后，為平直直線，不見輪廓曲折線，可有效用作最終信息比對，如圖6所示。

圖6 普通版機蓋測試試驗相機處理結果

（2）針對運動版機蓋（帶棱）在現場測試時，經由激光器發出的投射光在零件表面反射后，處理相機拍攝的畫面，可見明顯輪廓曲折線，可有效用作最終信息比對，如圖7所示。

圖7 運動版機蓋測試試驗相機處理結果

經過以上試驗驗證，該項系統（激光照射器+照相機+PLC+處理系統）可有效實現差異識別，進而比對機蓋有棱、無棱的產品特征，以用于質量監控系統的技術基礎。

功能現場實施

1.物料準備

該系統的搭建依托于生產線控制系統PLC，其主要的數據處理系統，集成在該工位外觀缺陷拍攝處理系統PC機上，新增部件主要包括激光照射光源、視覺傳感器、安裝支架及線纜等，關鍵部件示意如圖8所示。

圖8 機蓋識別系統關鍵部件示意

該視覺傳感器的核心參數如下：

1）130萬像素（芯片尺寸6.78mm×5.43mm），CMOS，用于目標檢測。

2）接口：LAN，8×IO，Profinet。

3）鏡頭：C形口。

同時將傳感器軟件系統集成在現場的PC終端，用作采集到的數據信息的處理和計算，最終比對后輸出IO信號給PLC系統進行生產線的控制，傳感器數據處理軟件示意如圖9所示。

圖9 傳感器數據處理軟件系統

2.安裝調試

經過前期的試驗驗證、電氣方案設計及硬件材料準備后，進入現場安裝調試階段。為保證日常系列化生產不受影響，利用周末非生產時間，進行實物集成、軟件安裝、程序導入及程序的初調整，最后進行檢測效果的驗證和精調整。

1）現場支架借助原生產線穩定立柱進行安裝，然后完成激光光源和照相機的固定。安裝完成狀態如圖10所示。

圖10 激光光源與視覺傳感器的安裝示意

2）識別系統的軟件部分集成在現場的PC電腦上，與生產線現有外觀缺陷識別控制系統共用，如圖11所示。電氣控制部分通過Profinet網絡與生產線PLC進行通信。

圖11 視覺傳感器軟件與現場PC控制系統的集成

3.驗證放行

完成基礎的硬件、軟件集成后，結合生產用車進行功能的測試、調試及驗證，并實現最終的功能放行。

（1）初始狀態 在初次安裝后的調試發現，測試畫面模糊，無法用于最后的計算和比對，問題示意如圖12所示。

圖12 初次測試成像模糊問題示意

（2）優化調試 通過調整激光光源和照相機的位置，多次調整，達到清晰穩定的成像效果，可用于后續計算和數據比對。

1）優雅版機蓋最終成像畫面清晰明亮，呈現完整直線，無斷點，效果如圖13所示。

圖13 普通版機蓋成像測試效果

2）運動版機蓋成像清晰明亮，在車輛棱角處有斷點，效果如圖14所示。

圖14 運動版機蓋成像測試效果

（3）功能驗證 車身到達此工位后，PLC系統從生產系統讀取車身信息即配置信息后，與圖像識別系統的結果進行比對。如果發動機蓋比對結果正確（機蓋類型正確），則放行車輛至下一個工位，如果機蓋比對信息不一致，則車輛停止在該工作位，同時報警提示工人確認。圖像識別系統采用的是與標準件比對、關注特征點的方式，判別出機蓋類型后，如果是運動版機蓋，則IO1輸出；如果是優雅版機蓋，則IO2輸出。兩個IO信號發送至PLC系統，并與車輛信息進行比對，形成監控依據。對比結果示意如圖15所示。

圖15 普通版機蓋識別后IO2信號輸出

結語

基于實際生產線低辨識度多產品柔性的應用場景需求的深入技術分析，實現了基于外觀件輪廓激光信號處理的車身工廠裝配完成線防錯技術方案的開發和實施。該系統的成功搭建，可有效監控白車身外覆蓋件變種和車型配置的一致性，避免零件的錯裝、漏裝問題的發生，提升整車制造水平和質量的控制水平。隨著近年來工業4.0和智能制造2025戰略的發展，圖像識別技術在工業應用領域越來越廣泛。本項目的圖像識別方案，有望在整車車身、總裝制造領域、相似零件裝配及加工后的質量監控等應用場景中發揮更多、更廣泛的作用，實現其智能化質量控制解決方案。