視覺測量技術(shù)在汽車零部件尺寸檢測中的應(yīng)用探討

汪擁進(jìn)，胡全

（湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

視覺測量技術(shù)作為一種基于機(jī)器視覺原理的測量方法，具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)勢特征。視覺測量技術(shù)借助計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理技術(shù)，對零部件進(jìn)行拍攝，并以圖像形式呈現(xiàn)，經(jīng)過圖像處理與分析，提取出尺寸信息，可以快速、準(zhǔn)確地檢測零部件的各種參數(shù)，如長度、寬度、高度、角度等。再者，視覺測量技術(shù)在復(fù)雜形狀及惡劣環(huán)境中也同樣適用。在汽車零部件尺寸檢測中，視覺測量技術(shù)方法多樣，具體如下。

（1）基于幾何特征的測量，通過提取零部件的幾何特征，如邊緣、線條、圓弧等，計(jì)算出相關(guān)尺寸，多用于明顯幾何特征零部件中。

（2）基于模板測量，預(yù)先制作零部件模板圖像，將實(shí)際測量圖像與模板進(jìn)行比對，以便保證零部件位置與尺寸準(zhǔn)確無誤，此類方法多用于復(fù)雜形狀及較高精度零部件中。

（3）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的測量，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，可對零部件尺寸信息自行測量與計(jì)算，可有效提高測量精度與自動(dòng)化程度。雖然視覺測量技術(shù)在汽車零部件尺寸檢測中有明顯優(yōu)勢，但也面臨諸多挑戰(zhàn)，如對于復(fù)雜形狀及微小尺寸零部件，難以拍攝清晰且準(zhǔn)確圖像，對于具有反光、透明等特殊性質(zhì)零部件，為圖像處理增加了難度。大量的汽車零件至今仍依賴傳統(tǒng)的檢驗(yàn)手段，無法有效地控制零件的尺寸質(zhì)量，對車輛尺寸與質(zhì)量提升也形成了一定制約。基于此，應(yīng)對其予以高度重視，以便為實(shí)現(xiàn)汽車零件尺寸質(zhì)量的有效控制提供便利條件。

1 零部件柔性測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

零部件柔性測量系統(tǒng)作為一種基于視覺測量技術(shù)的非接觸式高精度測量系統(tǒng)，主要由以下幾部分組成：（1）光學(xué)系統(tǒng)，主要是視覺測量的前提條件，包含光源、鏡頭和傳感器等組件，其中光源用于照亮零部件，以便更好地捕捉其圖像，鏡頭用于聚焦零部件并將其圖像傳輸?shù)絺鞲衅魃希瑐鞲衅鲃t負(fù)責(zé)捕捉圖像數(shù)據(jù)。（2）機(jī)械系統(tǒng)，作為柔性測量系統(tǒng)最主要支撐結(jié)構(gòu)，可對光學(xué)系統(tǒng)及零部件位置進(jìn)行確定與調(diào)整，機(jī)械系統(tǒng)中包含高精度定位平臺(tái)、夾具及調(diào)整裝置等，對測量過程中零部件位置穩(wěn)定起一定保證作用。（3）控制系統(tǒng)，作為柔性測量系統(tǒng)中的重中之重，可對整個(gè)測量過程及測量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與記錄，控制系統(tǒng)中包含計(jì)算機(jī)、控制器及軟件等組件，通過計(jì)算機(jī)控制相機(jī)與圖像處理算法，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化測量。（4）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對測量過程中獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、比較和評估，并生成測量報(bào)告與誤差分析報(bào)告等。在柔性測量系統(tǒng)中，各組成部分相互協(xié)作，共同完成零部件的高精度尺寸檢測。通過對光學(xué)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對不同大小及形狀零部件都能夠適應(yīng)，也可滿足汽車零部件生產(chǎn)過程中多種測量需求。

1.2 系統(tǒng)測量精度分析

在汽車零部件尺寸檢測中，系統(tǒng)測量精度受多種因素所影響，如光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、機(jī)械系統(tǒng)的定位精度、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的算法準(zhǔn)確性等。其中，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量與測量精度有直接關(guān)系，高質(zhì)量光源及鏡頭可使拍攝出的零部件圖像更加清晰，減小測量誤差，且光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整與校準(zhǔn)對測量精度也起到了一定的保證作用。高精度定位平臺(tái)及夾具可保證零部件在測量過程中位置準(zhǔn)確無誤，減小定位誤差。再者，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能夠保證測量過程的穩(wěn)定進(jìn)行，避免因干擾出現(xiàn)誤差，控制系統(tǒng)算法準(zhǔn)確性可保證測量準(zhǔn)確性與可靠性不受影響。且準(zhǔn)確數(shù)據(jù)處理和分析能夠減小測量誤差，提高測量精度。

2 零部件測量實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

零部件測量實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證柔性測量系統(tǒng)在汽車零部件尺寸檢測中的性能和精度，通過與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，評估柔性測量系統(tǒng)在汽車零部件尺寸檢測中的精度和準(zhǔn)確性，如長度、寬度、高度、角度等參數(shù)的測量。且柔性測量系統(tǒng)采用非接觸式測量方式，實(shí)驗(yàn)將驗(yàn)證其在不同材質(zhì)、形狀和表面粗糙度零部件上的可靠性，以及其對測量環(huán)境的適應(yīng)性。通過多次重復(fù)測量同一零部件，評估柔性測量系統(tǒng)的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。憑借對測量數(shù)據(jù)的分析和誤差來源的識(shí)別，了解影響柔性測量系統(tǒng)精度的主要因素，為系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)將驗(yàn)證柔性測量系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境中的可行性，評估其在連續(xù)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)中的性能表現(xiàn)。

通過與傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行對比，評估視覺測量技術(shù)在汽車零部件尺寸檢測中的精度和準(zhǔn)確性，使其滿足汽車制造業(yè)發(fā)展需求。實(shí)驗(yàn)將比較視覺測量技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法在速度和效率方面的差異，以驗(yàn)證視覺測量技術(shù)在提高生產(chǎn)效率方面的潛力。科學(xué)應(yīng)用自動(dòng)化測量系統(tǒng)，可以有效降低人工干預(yù)和操作難度，提高測量的一致性及可靠性。再者，通過對測量數(shù)據(jù)的分析和誤差來源的識(shí)別，探究影響視覺測量精度的主要因素，以便提高視覺測量的精度和可靠性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了進(jìn)行零部件測量實(shí)驗(yàn)，需實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為支撐，如柔性測量系統(tǒng)，是實(shí)驗(yàn)核心設(shè)備，其中包含光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成部分。柔性測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度、非接觸式測量，還可進(jìn)行自動(dòng)化與智能化測量。三坐標(biāo)測量機(jī)是基準(zhǔn)測量設(shè)備，三坐標(biāo)測量機(jī)可提供高精度的測量數(shù)據(jù)，用于與柔性測量系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，需準(zhǔn)備夾具及輔助工具，用于固定和調(diào)整零部件的位置，使其穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性得到保證。

計(jì)算機(jī)和軟件主要用于控制柔性測量系統(tǒng)和處理測量數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)需要配置高性能處理器及大容量存儲(chǔ)器，以確保測量過程快速穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析軟件可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比與記錄。為了保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，還需要準(zhǔn)備溫度、濕度和振動(dòng)等環(huán)境控制設(shè)備，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，通過準(zhǔn)備較為齊全的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可對柔性測量系統(tǒng)在汽車零部件尺寸檢測中的性能和精度做出準(zhǔn)確評估，驗(yàn)證其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

零部件測量實(shí)驗(yàn)分為以下步驟：（1）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，準(zhǔn)備柔性測量系統(tǒng)、三坐標(biāo)測量機(jī)、夾具和輔助工具、計(jì)算機(jī)和軟件等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)對象以具有代表性的汽車零部件為標(biāo)準(zhǔn)。（2）對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行安裝，將柔性測量系統(tǒng)放置在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的位置和參數(shù)做出準(zhǔn)確調(diào)整，確保系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。（3）基準(zhǔn)測量，使用三坐標(biāo)測量機(jī)對汽車零部件進(jìn)行基準(zhǔn)測量，獲取準(zhǔn)確的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便對柔性測量系統(tǒng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估。（4）零部件安裝與調(diào)整：將汽車零部件放置在夾具中，并使用輔助工具進(jìn)行調(diào)整，確保零部件的位置穩(wěn)定和準(zhǔn)確，對零部件進(jìn)行表面處理和清潔，以減小測量誤差。（5）柔性測量系統(tǒng)測量，啟動(dòng)柔性測量系統(tǒng)，按照預(yù)設(shè)的測量程序?qū)α悴考M(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)測量，在測量過程中，還需對測量數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。（6）數(shù)據(jù)處理與分析，對柔性測量系統(tǒng)所獲取測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，使用數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和解釋，評估柔性測量系統(tǒng)的精度、準(zhǔn)確性和可靠性。（7）誤差來源分析，通過對測量數(shù)據(jù)的分析和誤差來源的識(shí)別，對影響柔性測量系統(tǒng)精度因素進(jìn)行明確，對光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成部分對測量精度的影響因素進(jìn)行檢索，為系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)提供根本保障。（8）可重復(fù)性與穩(wěn)定性測試，對同一零部件進(jìn)行反復(fù)測量，以便對柔性測量系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對不同時(shí)間段內(nèi)測量的數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行檢測，從而保證測量結(jié)果的一致性與可靠性。（9）自動(dòng)化測量評估。在自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境中，驗(yàn)證柔性測量系統(tǒng)的可行性，評估其在連續(xù)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)中的性能表現(xiàn)，如測量速度、精度和穩(wěn)定性等方面。（10）實(shí)驗(yàn)總結(jié)與報(bào)告，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，對柔性測量系統(tǒng)在汽車零部件尺寸檢測中的性能表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以便為實(shí)際生產(chǎn)提供便利條件。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)，視覺測量技術(shù)在汽車零部件尺寸檢測中具有較高的精度和可靠性，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，柔性測量系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出了高精度的測量能力。與基準(zhǔn)測量相比，系統(tǒng)在長度、寬度、高度和角度等參數(shù)的測量中誤差均小于±0.02mm，滿足汽車零部件尺寸檢測的精度要求。在實(shí)驗(yàn)過程中，柔性測量系統(tǒng)在不同材質(zhì)、形狀和表面粗糙度的零部件上均表現(xiàn)出了良好的可靠性。非接觸式測量方式能夠適應(yīng)各種復(fù)雜形狀和材質(zhì)的零部件，且測量過程中不受表面反光、污漬等因素影響。通過對測量數(shù)據(jù)的深入分析，確定影響柔性測量系統(tǒng)精度的主要因素。如光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、機(jī)械系統(tǒng)的定位精度以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的算法準(zhǔn)確性等。在實(shí)驗(yàn)中，成功驗(yàn)證了柔性測量系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境中的可行性。系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地完成零部件的尺寸檢測，滿足連續(xù)生產(chǎn)和批量生產(chǎn)的需求，自動(dòng)化測量還大大提高了生產(chǎn)效率和測量的一致性，降低了人為誤差和勞動(dòng)力成本。

示例：利用視角測量系統(tǒng)檢測熱態(tài)下鍛件尺寸。

在熱鍛產(chǎn)線與熱處理工序間布置鍛件在線視覺三維測量檢測系統(tǒng)（如圖1 所示），準(zhǔn)備兩臺(tái)機(jī)器人（一臺(tái)檢測機(jī)器人用于固定視覺測量儀，一臺(tái)夾持機(jī)器人用于抓取工件進(jìn)行輔助測量和轉(zhuǎn)運(yùn)）、一套測量控制系統(tǒng)、一套標(biāo)定系統(tǒng)等。將視覺測量儀固定在檢測機(jī)器人上，設(shè)計(jì)并制作夾具安裝在夾持機(jī)器人上，根據(jù)輸送帶1 的位置設(shè)定夾持機(jī)器人取件點(diǎn)，再設(shè)定夾持機(jī)器人舉起待測工件的位置和測量過程運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡；其次，調(diào)整并設(shè)定測量機(jī)器人與夾持機(jī)器人夾持狀態(tài)之間最優(yōu)測量安全距離和檢測節(jié)拍；最后，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和測量結(jié)果設(shè)定夾持機(jī)器人分選投料（廢料框、傳送帶2、3）放置動(dòng)作。現(xiàn)場布置完成后，將待測工件的3D 數(shù)模導(dǎo)入測量控制分析系統(tǒng)。

圖1 測量系統(tǒng)布局

測量前：一是用標(biāo)定系統(tǒng)對測量機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)行軌跡標(biāo)定；二是對視覺測量儀進(jìn)行標(biāo)定，打開控制系統(tǒng)操作界面上程序自行標(biāo)定，結(jié)果符合要求（小于0.01mm）。

測量時(shí)，夾持機(jī)器人夾持鍛件運(yùn)動(dòng)到檢測位，檢測機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的視點(diǎn)與路徑，從不同角度對鍛件進(jìn)行視覺成像三維測量，得到鍛件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合出關(guān)鍵尺寸，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模3D 比對，自動(dòng)生成精度檢測報(bào)告（如圖2所示）。夾持機(jī)器人根據(jù)檢測結(jié)果對被測工件進(jìn)行分選投料，即不合格品→廢料框，合格品→傳動(dòng)帶2、3進(jìn)行流轉(zhuǎn)。

圖2 測量數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證視覺測量儀重復(fù)檢測精度，對同一件工件按上述步驟重復(fù)測量3 次，通過擬合比較3 組間測量誤差均小于±0.01mm。為了驗(yàn)證視覺測量儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用三坐標(biāo)對3 件合格鍛件復(fù)檢測量，經(jīng)對比視角測量儀在長度、寬度、高度和角度等參數(shù)的測量中誤差均小于±0.02mm，滿足汽車零部件尺寸檢測的精度要求。

3 結(jié)語

視覺測量技術(shù)為汽車零部件尺寸檢測帶來了諸多便利，不僅提高了檢測精度及效率，還降低了檢測成本及操作難度。通過實(shí)驗(yàn)，可體現(xiàn)汽車零部件尺寸檢測中的可行性及優(yōu)勢。隨著科技的不斷發(fā)展，視覺測量技術(shù)將不斷完善與優(yōu)化，為汽車制造業(yè)提供更加高效、精準(zhǔn)的尺寸檢測解決方案，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，以便為汽車制造行業(yè)提供支持，為汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。