激光视觉检测实现高品质的车身焊接

 

　　随着激光在科学技术研究、医疗卫生、国防科技、精细加工等领域的广泛应用，对微弱激光检测愈加显得重要 , 通常的微弱激光检测系统主要由光电倍增管或调制盘斩波器加光电探测器构成光电转换部分。前者体积较大、需要高压电源，并且使用条件苛刻；后者随着使用过程中轴承的不断磨损，马达轴的径向抖晃不断增大，影响了测试系统的。此外，一般微弱激光检测系统都存在非线性及探测器的性能随温度变化等缺点。这些都使得微弱激光检测技术的应用受到了很大的限制。我们采用光电探测器作为系统的光电转换元件，利用音叉进行机械斩波，使入射的恒定（或缓变）光信号直接转化为受调制的交流电信号，对其先进行交流耦合放大，克服了用光电探测器的随温度漂移的影响，再进行锁相放大，用单片机对系统的模拟输出信号进行数据采集，并进行非线性补偿，克服了一般微光探测系统的缺点。该系统具有结构简单、使用方便等特点。图1所示为通用视觉检测系统框图，其中视觉测头即为各种类型的视觉传感器。

　　激光视觉检测系统

　　车身的关键尺寸主要是风挡玻璃窗尺寸、车门安装处棱边位置、定位孔位置及各分总成的位置关系等，因此视觉传感器主要分布于这些位置附近，测量其相应的棱边、孔、表面的空间位置尺寸等，一般为固定式测量系统。在生产线上设计一个测量工位，将定位好后的车身置于一框架内，框架由纵、横分布的金属柱、杆构成，可根据需要在框架上灵活安装视觉传感器。传感器的数量通常由被测点的数量来确定，同时根据被测点的形式不同，传感器通常又分为双目立体视觉传感器、轮廓传感器等多种类型。

　　1、工作原理

　　在实际应用中，通常是将多个视觉传感器组成一个视觉检测站，每个传感器首先计算出被测点在当前的传感器坐标系中的坐标，然后将所有视觉传感器坐标系汇聚在系统坐标系下，从而完成测量。系统的工作主要建立在摄像机模型和立体视觉传感器三维测量模型的基础上。

　　为了得到被测点在车身定位坐标系中的坐标，需要以标准坐标系为中介，把被测点在传感器坐标系中的坐标转换到被测点在车身定位坐标系中，这就需要把传感器坐标系、车身定位坐标系与标准坐标系统一起来，称为中介坐标统一法。

　　完成上述工作是通过局部标定和全局标定的过程来实现的。局部标定是利用透镜透视原理，标定出从世界坐标系到传感器三维坐标系的12个外部参数；全局标定采用的是中介坐标系方案（图2），通过采用靶标，求出测量传感器所对应的传感器坐标系到经纬仪坐标系的转换矩阵，完成坐标系的统一。

　　2、先进的数字控制系统

　　激光视觉检测系统采用先进的CBVM测控软件，可以通过图形化的操作界面实现检测站的所有功能，即使不熟练的操作者也可以方便使用。同时，数据管理与分析软件负责测量数据的管理以及完成局域网用户对测量数据的查询和分析。

　　（1）整车数据查询与分析

　　整车数据查询是按整个车身进行查询，反映整个车身的情况。

　　整车数据查询既可以按照车身的生产时间进行查询，也可以按照车身的编号进行查询。查询数据的列表可以采用多种排序方式：车身编号和点号、点号和车身编号、生产时间及生产班次等。数据的显示采用3种不同的底色来反映测量点加工误差的大小。

　　（2）功能尺寸分析

　　功能尺寸分析是对一个车身的多个点进行综合评价。

　　可以选择一定时间段生产的车身进行功能尺寸评价，也可以选取一定的车身编号段内的车身进行功能尺寸评价。评价表中列出了车身编号、生产时间以及各功能尺寸，表中数据的显示可以按照选定的功能尺寸项进行排序，也可以选择图示显示（图3）。

　　（3）统计功能

　　对整个生产线产品质量的检测数据统计可以分为月统计和年统计：对于每月每日的产品进行数据统计，可以选择统计条件，如需要统计的月份、不合格数量等，图表显示的形式可以是合格率也可以是日产量；年统计数量是根据月统计数量进行统计的，所以每个月的数据进行统计后，就会出现在年统计表格中。

　　激光视觉检测站的应用

　　随着汽车制造水平的不断提高，激光视觉检测站逐渐得到应用，一汽大众汽车有限公司从每一个总成开始，均采用该系统进行尺寸控制，出现问题的部件会被及时发现、报警并放回返修区。这样可以保证每总成部件均由尺寸合格的下级总成组合而成。不仅如此，由于数据实行实时检测、存储，当发现问题时，制造部门可以快速发现工装夹具的问题所在，在短的时间内进行调整（图4）。

图4  视觉检测系统在焊装各级总成中的应用

　　除此之外，激光视觉检测系统还被广泛应用于焊装生产中，如门盖装配、前端切削焊接以及车身后部后尾灯定位孔的形成等。

　　传统工艺中灯安装孔采用多个冲压件焊接而成（如图5所示），其累计误差较大、且难以控制，导致后尾灯安装后与侧围匹配质量较差、尺寸不稳定。采用激光视觉检测技术，冲孔在各部件拼焊完成后进行，通过使用激光在线测量，将后尾灯左右的型面形成数模，并与已经存储于控制器中的数模相对照，找出匹配尺寸并调整机器人完成冲孔工艺。

　　图6所示为激光在线检测技术在白车身车门装配中的应用实例。其中机器人控制下的抓拾器与激光在线检测系统通过总线控制，形成一个闭环系统，通过激光在线检测系统在门盖装配过程中的实时动态测量，实时地把所测量数据与处理器中的标准数模数据对比，给出测量值与理论值的偏差，实时调整抓拾器的安装位置，使其达到一个设计的值，此时门与侧围的平度和间隙均会达到一个值。

 

　　结束语

　　视觉检测综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。自起步发展至今，已经有20多年的历史，其功能以及应用范围随着工业自动化的发展逐渐完善和推广，其中特别是目前的数字图像传感器、CMOS和CCD摄像机、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技术、图像处理和模式识别等技术的快速发展，大大地推动了机器视觉的发展。简而言之，机器视觉解决方案就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。