工業視覺系統在新能源車間產線的應用

陳文，劉非，鄭帥

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

基于一汽集團和一汽-大眾數智化戰略，工業視覺系統在一汽-大眾工廠中得到越來越廣泛的應用。工業視覺系統就是使用CCD/CMOS相機捕獲圖像，將圖像傳送到圖像處理模塊，通過數字處理，根據像素分布、顏色和明暗度等信息確定形狀、顏色、大小等。工業視覺系統實現計算機處理的快速性和重復性與人類視覺的智能化和抽象的能力相結合，伴隨著傳感器技術的發展，逐步成為自動化生產關鍵子系統。

工業視覺系統可以提供很多功能，例如視覺定位、圖像識別、產品檢測、對象測量和代碼讀取等。新能源汽車電池生產線利用工業視覺系統的功能完成電池包的組裝。

工業視覺系統簡介

1.工業視覺系統一般構成

如圖1所示，工業視覺系統一般由光源、鏡頭、相機、采集卡、計算機及數據線等組成。

圖1 視覺系統構成

2.工業視覺系統的分類

在電池車間生產線有兩類視覺系統：一類為嵌入式系統（見圖2），又稱智能相機，由智能圖像傳感器、視覺傳感器（其內部包含處理器、RAM、FLASH、I/O）及Ethernet組成；另一類為PC-Based系統（見圖3），由計算機、圖像采集卡、I/O卡及處理軟件組成。

圖2 嵌入式系統

圖3 PC-Based系統

3.工業視覺系統通信

工業視覺系統可以和PLC通信，通過PLC程序觸發視覺系統運行、切換程序和在線/離線切換等，也可以與機器人和運動控制器通信。視覺系統可以向機器人提供該元件的位置，檢查某元件的多個面等，同時也可以和HMI/MES系統通信，進行圖像結果反饋給操作人員、質量數據統計和過程控制等。

4.視覺系統在一汽-大眾新能源汽車電池產線應用背景

在電池包裝配過程中會遇到模組在裝入殼體過程中，由于焊接殼體尺寸的不一致導致模組絕緣膜破損，造成電池安全的問題：由于殼體螺柱焊焊接尺寸偏差造成BMCE等塑料外殼零件擰緊時出現破損，導致成本浪費等。

在FDS熱熔擰緊電池包上蓋和底護板時，由于殼體一致性差的原因，會導致FDS擰緊時不能按照上蓋和底護板孔位進行擰緊，會出現擰緊位置偏差，這樣會影響電池包氣密性和螺栓力矩。

由于電池包安裝對清潔度有嚴格的要求，使用視覺系統后，上料及下料可以處于一個相對密封的空間來保證電池包的清潔度。

針對以上在電池包安裝過程遇到的各種問題，在新能源車間廣泛應用視覺系統解決生產安全、電池包清潔度及成本浪費等問題。

工業視覺系統應用——PC-Based系統

根據產品工藝在電池包裝配過程中會遇到模組在裝入殼體過程中，由于焊接殼體尺寸的不一致導致模組絕緣膜破損，造成電池安全問題。模組絕緣膜與支撐臺最小的間隙為0.248mm，通過使用視覺系統保證模組入箱無絕緣膜剮蹭。

模組入箱工位主要是利用視覺系統引導機器人抓取工件，視覺系統依靠攝像頭采集工件特征圖片，并用采集到的照片與預先設定好的參考模板進行對比，通過相關的圖像算法，可計算出當前工件位置和理論工件位置的偏差，并將這個偏差值轉換為機器人的偏移坐標，從而驅動機器人運動到最佳位置抓取工件。

在電池車間大量應用PC-Based系統視覺引導機器人抓取工件，它的最大優點是可支持多臺相機，如果一個工位需要多臺相機同時工作，選擇PC-Based系統還是比較經濟的。

1.工位信息

如圖4 所示，具體工位信息如下：

圖4 工位圖

1）托盤攜帶電池殼體到達模組入箱工位，完成定位。

2）機器人1通過視覺識別系統，抓取4個模組到二次定位臺。

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3）機器人2對殼體進行拍照，確認殼體基準位置，將位置信息傳給機器人3，機器人2完成涂膠工作。

4）機器人3攜帶擰緊軸到到二次定位臺抓取模組，并根據機器人2反饋的殼體基準位置信息進行模組入箱，同時進行4顆螺栓擰緊。

5）重復以上步驟11次，完成全部模組入箱擰緊。

6）龍門架上的光電傳感器識別空的模組料架，由機器人1抓取空料架到輸出輥道。

7）完成后，機器人全部回原點，電池包離開。

2.視覺功能的實現

模組入箱工位利用視覺功能檢測模組來料姿態，抓取模組和檢測下箱體基準點位置，推算下箱體各個螺栓孔位置。下面主要介紹模組入箱的視覺功能是怎樣實現的。模組入箱這一步主要是讓相機拍照獲取工站殼體位置，引導涂膠機器人涂膠，引導機器人放置模組并進行擰緊。

（1）九點標定 相機通過九點標定（見圖5）與機器人統一坐標系。

圖5 九點標定程序結構

（2）示教基準 調試時，對基準殼體兩個銷孔的RPS點（見圖6），有序分別進行拍照，得到兩個基準坐標：A（X1，Y1），B（X2，Y2）。

圖6 殼體RPS點位置

圖7 殼體RPS點位置及程序結構

圖8 測量原理

模組抓取與模組入箱同理，機器人帶動相機到各個對應的模組拍照位，一次拍照獲取模組的4個擰緊孔特征，運算出模組位置整體偏移的X、Y、Z及A值，引導機器人抓取。

工業視覺系統應用——嵌入式系統

在FDS熱熔擰緊電池包上蓋和底護板時，由于殼體的一致性差的原因會導致FDS擰緊時不能按照上蓋和底護板孔位進行擰緊，會出現擰緊位置偏差，這樣會影響電池包氣密性和螺栓力矩。通過視覺系統的使用根據每個殼體的尺寸偏差進行擰緊，保證擰緊孔位正確無誤。

在新能源車間電池產線使用智能相機進行定位、BMCE撕膜檢測、電池包總成碼檢測讀取等應用，嵌入式系統的主要特點是工作空間小、操作簡單、集成性強、穩定性高及維護簡單。

1.工位信息介紹

如圖9所示，具體工位信息如下：

圖9 FDS熱熔擰緊工位

1）托盤攜帶電池包到達電測試工位，完成定位。

2）相機進行拍照，確定電池包位置偏差值。

3）機器人根據反饋值進行擰緊。

4）擰緊完成后，電池包離開。

2.視覺功能的實現

FDS熱熔擰緊工位視覺功能為機器人帶動相機分別拍上蓋板兩個RPS點共2次拍照，通過特征計算得出蓋板整體X、Y坐標偏移及角度A偏移，引導機器人安裝擰緊螺絲。

（1）九點標定 相機通過九點標定（見圖10）與機器人統一坐標系，機器人帶著相機移動九點，拍照九次，同時記錄每次的視覺讀取的特征坐標與機器人拍照位置坐標值，一一對應，采用Calib工具運算。

圖10 九點標定

（2）示教基準 調試時，對基準殼體兩個銷孔的RPS點（見圖11），有序分別進行拍照，得到基準坐標A（X，Y）。

圖11 基準示教

（3）檢測程序（如圖12）FDS熱熔擰緊工位視覺功能檢測程序如圖12所示。此外，在新能源電池車間還有撕膜檢測工位（見圖13）和標簽讀碼工位都用到了智能相機，這里不再詳述。

圖12 檢測程序

結語

未來一汽-大眾新能源電池產線通過工業視覺系統的深度開發與應用將實現更高的生產效率，通過總結最佳實踐應用，積累技術應用標準，創建新能源汽車電池智能工廠。