視覺系統在噴涂機器人車身檢測中的應用

張進 操金明 程林

摘 要：在車身內表面機器人自動噴涂工作站，增加VMT視覺系統，測量車身誤差，并將車身誤差作為偏移量，補償到機器人的跟蹤坐標系中，實現了車身誤差的整體補償，提高了車身噴涂質量的穩定性。同時，針對開門機有一定概率無法關嚴車門，視覺系統識別車門是否關嚴，消除了車門未關嚴對噴涂線下一道工序的不良影響。

關鍵詞：工業機器人；噴涂；車身內表面；視覺；補償

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-290-03

Abstract： In order to measure car body position errors， a VMT vision system was newly added in a car body interior painting zone which painted automatically by robots. The stability of car body film quality was improved， after car position errors overall compensated， by offsetting robots tracking coordinates with car position errors. Meanwhile， car doors could not be completely closed by openers with a certain probability， after paint finished. The vision system identified whether doors closed or not， to eliminate the bad influence of unclosed doors in next paint process.

Keywords： industrial robots； paint； car body interior； vision； calibration

CLC NO.： U462.2 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-290-03

前言

近年來，汽車車身內表面人工噴涂，逐步被機器人的自動化噴涂所代替。在自動化的涂裝車間，機器人打開車門和車蓋，機器人噴涂車身內表面，然后關閉車門和車蓋。不同于車身外表面噴涂，車身內表面不平整、形狀復雜、空間狹小，噴涂調試難度大，離線編程[1]的使用過程中，需要更高的精度。

目前，視覺系統廣泛應用于汽車工業的機器人運動補償中，提高了工業機器人的作業精度，包括裝配[2]、涂膠、焊接等，但視覺系統卻很少應用于噴涂機器人。視覺系統被用于識別涂裝車間工件類別[3，4]，卻沒有用于提高噴涂機器人作業精度。

本文在Fanuc公司的P700iA噴涂工作站基礎上，增加VMT的視覺系統，識別車身定位誤差，并補償機器人運動軌跡。同時，識別車門是否關嚴，保證后續噴涂工藝的穩定性。

1 噴涂機器人視覺系統

1.1 噴涂機器人系統

機器人噴涂站，一般包含：機器人本體及其機器人控制柜、配有PLC的系統控制柜、一些外圍輸入輸出設備、噴房系統的其它設備等。其中，外圍輸入輸出設備包括：工件感應開關、輸送鏈編碼器、急停按鈕、光柵、噴房門的感應開關等。噴房系統的其它設備包括：輸送鏈、送排風、循環水、調漆間設備等。

Fanuc的P700iA車身內表面噴涂站，由4臺P700iA噴涂機器人、4臺P20iA開門機和2臺P25iA開蓋機組成，共10臺機器人。P700iA噴涂機器人用于噴涂車身內表面，P20iA開門機用于打開和關閉4個車門，P25iA開蓋機用于打開和關閉車身的前蓋和后蓋。

Fanuc噴涂機器人，具有輸送鏈跟蹤功能（Line Track）。當車體隨輸送鏈同步運動時，機器人根據輸送鏈編碼器脈沖跟蹤車身噴涂。

1.2 視覺系統

本文將VMT視覺系統接入到Fanuc機器人車身內表面噴涂站中，VMT視覺控制柜與Fanuc系統控制柜采用總線（Profibus）通訊。

VMT視覺系統包括：視覺系統控制柜、6個相機。6個相機被依次安裝在噴房頂部，視覺控制柜通過網線給相機供電和通訊。

1.3 視覺系統工作原理

車體（即工件）隨輸送鏈運動，進入噴房。當車體所在的滑撬前端觸發工件感應開關后，PLC發送工作號到機器人。之后，車體繼續進入噴房到指定距離且機器人還沒有開始運動時，PLC發送拍照信號觸發相機拍照。此時相機對當前車體拍照，把當前圖像與模板圖像（先前優化后存在模板庫中的標準圖像）對比，得出車體上特征點發生的變化，進而得出車體的偏移數據（dxC， dyC），或者車體的局部是否發生變化信息。

如圖7，相機1和相機2獲取車身位置，相機3和相機4檢測車身是否打滑，相機5和相機6檢測車門是否關嚴。

2 車身位置的視覺補償

2.1 機器人的跟蹤坐標系

將4臺P700iA機器人分別編號為Pj （j=1，2，3，4）。機器人車身軌跡所在的坐標系為跟蹤坐標系（Track Frame），該坐標系與輸送鏈同步運動。當工件感應開關觸發后，跟蹤坐標系生成，相對于車身固連。如圖5，機器人的跟蹤坐標系參數包含位置XYZ和方向WPR，本文補償X和Y的位置量（dxi， dyi）（i=1，2，3，4），忽略Z位置量和WPR方向量。X和Y方向如圖7所示。

2.2 視覺補償原理

相機1和相機2對車體拍照，獲得當前車體的誤差（dxC， dyC）。視覺控制柜將誤差通過總線（Profibus）發送到PLC，PLC再發送到機器人。機器人獲得（dxC， dyC）后，修改跟蹤坐標系參數，使跟蹤坐標系偏移（dxi， dyi）（i=1，2，3，4），進而車體軌跡整體發生偏移，實現機器人軌跡的整體補償。

由于噴涂機器人的軌跡直接影響噴涂質量，本文對噴涂機器人的軌跡，忽略開門機和開蓋機。

2.3 車身誤差和機器人補償量的關系

如圖7，根據相機坐標系{C}和4臺噴涂機器人坐標系{Pj} （j=1，2，3，4）的方向關系，車身誤差和機器人的補償量有如下關系：

式中，dxC、dyC為相機獲得的車身誤差，dxi、dyi （i=1，2，3，4）分別為4臺噴涂機器人跟蹤坐標系的補償量。

2.4 視覺補償結果

圖8為100臺車的車身誤差（dxC， dyC），沿著輸送鏈方向的誤差在（-15， 18）之間，垂直輸送鏈方向的誤差在（-6， 5）之間。

3 車門關閉檢測

內噴站車體噴涂完畢后，開門機將車門關閉，但開門機存在5%的幾率無法將車門關嚴。沒有關嚴的車門，在后續的生產環節中，會引發一些車身質量問題。例如：如果車門被打開一個小的角度（如1～2度），在噴涂線的下一工序車身外表面噴涂站，將導致車門邊緣肥邊、缺漆等嚴重的車身質量問題。

在開門機關閉車門后，相機對車體拍照，識別車門上的特征點，當特征點誤差過大，被認為門沒有關嚴。此時，視覺控制柜通過總線發送信號到PLC，PLC報警提醒操作工有車門打開。

4 結語

4.1 將視覺系統應用于噴涂機器人的車身位置補償

Fanuc的P700iA機器人車身內表面噴涂工作站，添加VMT視覺系統。相機獲得車身定位誤差，通過總線將偏移量數據發送機器人，補償跟蹤坐標系，提高了噴涂機器人的作業精度。

4.2 對車身的X和Y的位置量進行補償

忽略Z位置量和WPR方向量。

4.3 識別車門是否關嚴

消除了未關嚴車門對噴涂線下一道工序的不良影響。

參考文獻

[1] 蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000： 31-32.

[2] 鄭彥興，韋慶，常文森.機器人裝配任務中誤差的視覺校正[J].機器人， 2001，5： 446-449.

[3] 崔線線，陳萍萍，袁井偉.雙目視覺快速匹配在噴涂機器人中的應用[J].科技傳播，2015， 8： 129 – 130.

[4] 蘇景存.基于機器視覺的機器人噴涂技術研究[D].河北：河北聯合大學， 2013.