基于機器人自動制孔的在線檢測系統設計

王志共，張睿智

（江西昌河航空工業有限公司，江西 景德鎮 333002）

1 引言

在直升機制造過程中，一架直升機所需制孔的數量數以萬計，制孔質量的檢測是其中一道重要的工序，是直升機制孔質量的重要保障。由于機器人高質量、高效率、高強度的生產能力及較低成本，被越來越多地應用于工業領域［1］，機器人自動制孔技術在國內的廣泛應用使制孔的效率和質量獲得提高[2，3]，但同時給制孔質量的檢測環節帶來了巨大的壓力。

影響機器人自動制孔系統制孔質量的主要因素有機器人定位精度、基準孔機器視覺測量誤差、末端執行器法線測量和法向調整精度、鉆孔精度。目前在用的機器人自動制孔系統機器人定位精度為0.2mm（采用在線反饋控制技術提高定位精度），滿足飛機鉚接加工不低于0.5mm的精度要求，定位精度較高；基準孔機器視覺測量誤差為0.2mm（采用機器視覺方法自動識別基準孔，計算位置偏差，然后對制孔點進行位置誤差補償）；末端執行器法線測量（激光位移傳感器自動檢測制孔點實際法線方向）和法向調整精度（根據制孔點法線方向，調整末端執行器姿態，使主軸進給方向與制孔點法線方向重合）小于0.4o；鉆孔精度約0.1mm（塞規測量）。

由以上數據可以看出機器人自動制孔系統精度較高，已制孔的孔徑、位置度、孔距、垂直度、光潔度相比人工制孔提升明顯，但以上數據只能說明該機器人自動制孔系統從技術層面上能夠滿足實際生產技術條件要求，能夠代表在理想環境條件下的制孔結果，不能代表實際制孔質量的特性值。從質量控制角度，依據相關程序文件要求，要對已制孔質量進行有效檢測控制，需另外測量已制孔位置度、孔徑、孔距、垂直度、光潔度等特性值。

當今制孔質量檢測方法大多是在制孔完成后通過人工測量、接觸式傳感器、激光跟蹤儀、視覺技術等方式進行[4-6]，在實驗階段雖然合理，但應用在實際生產中會存在三方面的問題：

1）效率低。激光跟蹤儀測量或人工測量需在工裝上進行，測量期間鉆鉚系統無法進行下一步工作，占用生產時間，大幅降低制孔效率；同時測量數據需要人工統計匯總分析，耗時長且易出錯，效率低下。

2）測量誤差大。由于已制孔的孔徑、孔距、位置度、垂直度、光潔度無法通過激光跟蹤儀在線測量，實際采用人工測量，導致測量結果誤差較大，無法真實反映已制孔的真實質量情況。

3）無法及時糾錯。制孔過程中因無法實時知曉已制孔的特性值信息，當出現控制程序故障、末端執行器姿態偏差、刀具磨損損壞或儀器設備故障等問題，造成一個或多個孔不合格情況，無法及時修正控制程序、調整末端執行器姿態或更換問題刀具及儀器設備，極有可能導致產品批量超差，出現批量質量事故，造成報廢損失等后果，這就明顯增加了產品質量風險，非常不利于有效且良好的質量控制。

綜上所述，為滿足質量控制、生產效率和生產效益三方面需求，提出了一種基于機器人自動制孔的在線檢測系統，經試驗驗證該系統能有效提高機器人自動制孔的檢測效率和質量控制。

2 在線檢測系統設計

2.1 系統組成

基于機器人自動制孔的在線檢測系統的結構示意圖如圖1所示，系統包括機器人自動制孔系統、高性能工業相機、定制投影光源、控制機構等。

圖1 檢測系統結構示意圖

機器人自動制孔系統作為在線檢測系統的前提基礎，負責制孔，由集成控制系統、工業機器人系統、末端執行器系統、輔助系統組成。集成控制系統負責加工任務的統籌規劃、判斷決策和指令下達、信息數據傳輸、現場數據采集及加工任務指令執行等，工業機器人系統負責搭載末端執行器完成可到達空間的點位運動，末端執行器系統負責前端執行，輔助系統主要包括機器人重載移動平臺、柔性工裝、自動送釘系統、激光跟蹤儀測量系統等[7]。

高性能工業相機采集制孔高質量圖像信息，通過內置算法，快速完成對孔位、孔徑、孔距、垂直度以及光潔度的檢測。

定制投影光源為工業相機提供特定的光照條件，以保證合適穩定的圖像采集環境，提高在線檢測系統對環境變化的魯棒性和檢測結果的準確性。

控制機構用于發送出發信號控制機器人自動制孔系統執行制孔、高性能工業相機采集圖像并檢測制孔質量、定制投影光源提供光照及跟據制孔質量結果修正機器人自動制孔系統參數或發出預警。

2.2 系統軟件

基于機器人自動制孔的在線檢測系統的系統軟件包括圖像采集模塊、數據傳輸接口模塊、三維重建模塊、幾何參數測量模塊、深度學習離線訓練模塊、在線檢測模塊、作業流程控制模塊等，軟件結構如圖2所示。

圖2 軟件結構圖

圖像采集模塊在每次鉆孔后用機械臂上的工業相機從多個視角位置采集當前孔的圖像，并記錄每張圖像的相機內參。

三維重建模塊根據每個孔的多視角圖像及對應相機內參對該孔完成三維重建[8]。

幾何參數測量模塊對每個孔的三維重建結果進行孔位、孔徑、孔距、垂直度等幾何參數的計算測量。

深度學習離線訓練模塊需要提前采集大量孔表面圖片并標定光潔度是否合格，輸入基于深度學習的目標分類網絡進行分類訓練[9]，用于檢測制孔采集圖像的光潔度是否合格。

在線檢測模塊對當前空的幾何參數孔位、孔徑、孔距、垂直度、光潔度與制孔目標設定值進行比較。當檢測所有參數都合格時繼續鉆制下一個孔；當檢測到幾何參數不合格時，如果是可修正的幾何參數不合格，則根據當前測得的不合格幾何參數的偏差調整自動制孔系統的參數；當檢測到幾何參數不合格，且是不可修正的幾何參數不合格，則發出預警。

作業流程控制模塊負責控制整個系統的硬件每個工作指令順序執行， 控制完成每次制孔的制孔定位、制孔、采集圖像、三維重建、幾何參數測量、在線檢測等執行。

數據傳輸接口模塊根據不同軟件、硬件之間的接口完成數據的傳輸。

2.3 系統工作流程

使用集成在線檢測系統后的機器人自動制孔系統，針對典型的壁板類工件的在線檢測制孔流程如圖3所示。

圖3 在線檢測制孔流程

3 系統功能和特點

3.1 系統功能

在線檢測系統功能包括孔位、孔徑、孔距、垂直度的“定量”檢測，光潔度的“定性”檢測。

1）“定量”檢測。采用基于機器視覺的方法輸出測量的數值；通過多臺高性能工業相機同時觀察工件表面圖像視差，采用立體匹配技術重構出工件表面的三維參數，利用內置算法實現對孔位、孔徑、孔距和垂直度參數的測量。

2）“定性”檢測。利用深度學習技術搭建算法模型，通過采集一定量級的“孔照片”樣本對網絡模型進行訓練（樣本數量越多識別精度越高），給出光潔度是否合格的結論。

3.2 系統特點

檢驗效率高，檢驗項目多，檢驗覆蓋率高，數據可分析、可追溯性強，反饋修正功能等。

1）檢驗效率高。所有檢測特性值由系統實時自主測量，制孔系統無需停工，不占用生產時間。相比人工質檢，系統能自動存儲、分析、判斷數據，給出檢測結論，時間短、效率高。

2）檢驗項目多。可一次性提供諸多檢測項目。孔質量檢測內容包括孔位、孔間距，孔垂直度、孔邊距，孔徑大小，表面粗糙度等參數。未來還可擴展鉚接質量、零件裝夾變形情況等更多參數。

3）檢驗覆蓋率高。以往的人工檢驗，一般受限于人力資源配置，只能實現一定比例的抽檢。而且大量高重復度的檢驗操作，也容易導致人力疲勞。一方面，容易致使漏檢和誤檢，另一方面，人工檢測的效率無法穩定，這將間接導致生產效率的波動。引入智能在線檢測，能夠實現100%的檢測覆蓋率，還能避免上述疲勞因素導致的不良后果。

4）數據可分析、可追溯性強。具有重要意義的質量可追溯性，是建立在完整數據檔案管理的基礎上的，在人工質檢方式下難以實現。主要原因在于數據采集的不完整、不徹底，單純的質量數據本身很多時候不足以支撐追溯工作，必須提供帶有更多信息量的生產數據。例如，實際生產的圖片信息、可能包含大量的與追溯問題直接相關但是與關注的質量參數無關的信息，這些信息在人工檢驗方式下，既不會被收集也不會被保存。在線檢測技術的依托下，收集和保存這些信息就成為了可能。質檢工作的一個重要目的，是為了識別和處理質量問題，而不僅僅是對產品是否合格的定性判斷。生產數據本身所能提供的信息價值，并不僅局限于對質量合格與否的判斷。當大量的生產數據被匯集起來之后，可以反映眾多生產環節的狀態，并通過更詳細、更多樣性和更深層次的分析來識別及處理質量問題，為實現更多更好的質量問題處理方法和質量控制方式提供了可能。

5）反饋修正功能。生產環節質控參數的設置，是為了實現最終產品的性能指標控制。這些參數一般是通過最終性能指標的逆向分解得到的，分解過程一般是基于理論分析或局部實驗，對應到真實的工業生產中，往往帶有一定的偏差，會導致最終性能指標的下降。基于對更高精度和維度的生產過程數據收集和產品跟蹤分析，就可以發現這些偏差并反饋作用于前端生產環節的一些可調參數，最終實現對各環節質控參數的精確設置。

4 實驗與結果分析

為了驗證本文在線檢測系統的有效性，將本文在線檢測系統與非在線檢測的常規方法通過實際長桁制孔實驗相比較，通過在線檢測自動制孔和常規自動制孔在相同的兩塊長桁上連續鉆11個孔，完成后用同一測量方法對每個孔檢測孔位、孔徑、孔距、垂直度和光潔度進行測量，測量結果見表1，由表1可以看出由于長桁與機械臂移動未完全平行以及表面存在一定彎曲，導致孔位和垂直度誤差越來越大，在線檢測制孔能夠在偏差在誤差范圍內但大于一定閾值時及時進行修正保證后續合格，而非在線檢測制孔隨著制孔誤差越來越大導致不合格，在線檢測制孔能夠及時修正鉆頭進給深度和轉速參數以微調孔徑大小和調整機械臂移動距離參數來微調孔距，使得2號孔之后孔徑全部合格，而非在線檢測制孔則無法修正導致如果一旦出錯后續將全部不合格，用本文方法能及時糾正錯誤，有效地提高了制孔的質量。

表1 在線檢測制孔和非在線檢測制孔結果對比

在線檢測制孔完成時間28.345，非在線檢測制孔加總時間38.738，由于在線檢測方法使用了多視角三維重建的檢測方法，比傳統測量方法的測量速度更快，所以降低了檢測總時間，提高了制孔的效率。

5 結束語

本文針對機器人自動制孔生產線中對在線檢測的需求，設計了一種基于機器人自動制孔的在線檢測系統，給出系統的硬件和軟件結構設計，并通過實際制孔實驗結果證明本文系統的有效性。

實驗結果表明該系統能夠在每個孔鉆制后即時檢測，實現制孔的在線檢測；能根據已制孔的檢測質量及時糾正錯誤，提高后續制孔的質量；相對于傳統的制孔后檢測方法，本文系統在線檢測方法能夠減少質量檢測的時間，提高制孔檢測效率。綜上所述，本文基于機器人自動制孔的在線檢測系統，能夠更好地滿足對機器人自動制孔生產線的需求，提高自動制孔的的質量和檢測效率。