任永杰（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

機(jī)器人柔性在線自動(dòng)測(cè)量方法技術(shù)及應(yīng)用

任永杰（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072）

指出面向制造現(xiàn)場(chǎng)的在線自動(dòng)化測(cè)量是當(dāng)前精密測(cè)量技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，也是現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展過程中不可或缺的重要組成部分。利用當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人性能（穩(wěn)定性、可操作性、定位精度）優(yōu)勢(shì)，將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)引入到測(cè)量領(lǐng)域，和視覺測(cè)量、精密測(cè)試?yán)碚撓嘟Y(jié)合，提出了一種全新的柔性在線測(cè)量新方法，并研制了測(cè)量設(shè)備（柔性在線視覺檢測(cè)站），旨在發(fā)展面向多品種混流共線流水線制造的在線測(cè)量方法和裝備，解決汽車制造等主流產(chǎn)業(yè)中急需的柔性在線測(cè)量問題。

機(jī)器人柔性在線自動(dòng)測(cè)量現(xiàn)代制造技術(shù)

面向制造現(xiàn)場(chǎng)的在線自動(dòng)化測(cè)量是當(dāng)前精密測(cè)量技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，也是現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展過程中不可或缺的重要組成部分?，F(xiàn)代先進(jìn)制造愈加關(guān)注對(duì)制造過程的控制，采用先進(jìn)的在線測(cè)量手段，對(duì)制造過程進(jìn)行嚴(yán)格、甚至是100%的測(cè)量和監(jiān)控，以確保工藝過程的穩(wěn)定、可控、可預(yù)測(cè)。對(duì)于大批量、復(fù)雜、多工序的流水線制造，在線自動(dòng)測(cè)量與控制更是決定制造水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。

課題組一直結(jié)合國家先進(jìn)制造領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，研究開發(fā)新型在線測(cè)量方法及其測(cè)量設(shè)備，前期成功研發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺理論的在線測(cè)量方法和技術(shù)設(shè)備，解決了常規(guī)的單品種、大批量流水線制造過程中的在線測(cè)量問題。但現(xiàn)階段，多品種、高效率的混流共線流水線制造模式，因其快速的產(chǎn)品制造應(yīng)變能力、大幅度節(jié)省投資而獲得空前重視，由此對(duì)柔性在線測(cè)量提出了新需求：高度柔性、工藝匹配性和自動(dòng)化程度。課題組較為準(zhǔn)確地把握了這一技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，合理而充分地利用了當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人性能（穩(wěn)定性、可操作性、定位精度）獲得大幅度提升的技術(shù)成果，將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)引入到測(cè)量領(lǐng)域，和視覺測(cè)量、精密測(cè)試?yán)碚撓嘟Y(jié)合，提出了一種全新的柔性在線測(cè)量新方法，并研制了測(cè)量設(shè)備（柔性在線視覺檢測(cè)站），旨在發(fā)展面向多品種混流共線流水線制造的在線測(cè)量方法和裝備，解決汽車制造等主流產(chǎn)業(yè)中急需的柔性在線測(cè)量問題。

解決上述實(shí)際問題可以采用如下兩個(gè)方案：

①采用固定式測(cè)量方式，但針對(duì)每一個(gè)外形尺寸變化的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一整套視覺傳感器，不同的產(chǎn)品啟動(dòng)不同的視覺傳感器，同時(shí)對(duì)于內(nèi)部測(cè)量的需要，設(shè)計(jì)長工作距離的視覺傳感器。這種解決方案可以滿足產(chǎn)品變化類型較少的情況，但是，多套傳感器的應(yīng)用大大增加了檢測(cè)系統(tǒng)的成本，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性，而且面對(duì)產(chǎn)品變化類型較多的情況時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)條件使得這種方案往往不能夠?qū)崿F(xiàn)。另外，長工作距離的視覺傳感器往往帶來安裝空間的增加、測(cè)量精度的降低，甚至測(cè)量結(jié)果的不可靠。

②基于靈活、可控的運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)柔性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。近年來，工業(yè)機(jī)器人的性能大幅度地提高，尤其運(yùn)動(dòng)定位精度已經(jīng)滿足測(cè)量應(yīng)用的需要，集成電路及工業(yè)控制器的應(yīng)用使其具有很高的可靠性，完全可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)在高可靠性的情況下其運(yùn)動(dòng)速度也有了明顯的提高，可以提高測(cè)量速度，滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍的需要。采用工業(yè)機(jī)器人結(jié)合視覺傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸、高精度、快速、柔性、可靠的在線測(cè)量，而且利用工業(yè)機(jī)器人靈活性，可以實(shí)現(xiàn)傳感器近距離的測(cè)量，提高測(cè)量精度。利用工業(yè)機(jī)器人可編程的特性，可以實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)產(chǎn)品的柔性測(cè)量，同時(shí)，增加一種新產(chǎn)品的檢測(cè)，只需簡單校準(zhǔn)和編程即可實(shí)現(xiàn)，所以，測(cè)量產(chǎn)品型號(hào)越多其成本也就越低。工業(yè)機(jī)器人的高可靠性及單個(gè)傳感器的應(yīng)用,也增加了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

目前，基于工業(yè)機(jī)器人的視覺檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為國外大公司研究的熱點(diǎn)，而且，各大汽車生產(chǎn)廠家也都把工業(yè)機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)定為今后在線檢測(cè)的應(yīng)用趨勢(shì)。美國Perceptron公司開發(fā)的AutoGuide（RobotGuidance System，RGS）及Flexible AutoGange System，基于ABB、KUKA、FANUC、Staubli等公司的工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了汽車車身的在線柔性檢測(cè)、擋風(fēng)玻璃的自動(dòng)安裝、轎車車門的自動(dòng)安裝、激光焊縫的檢測(cè)等等，已應(yīng)用于BWM、Daim lerChrysler、GM等國際著名汽車生產(chǎn)廠家。美國QMC公司開發(fā)的Flexible Measurement System（FMS）采用KUKAM系列工業(yè)機(jī)器人和激光視覺檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了卡車底盤、轎車車門、金屬龍門架的幾何尺寸的測(cè)量，在全世界已有大約200套在應(yīng)用。瑞士的ABB公司也在開發(fā)基于工業(yè)機(jī)器人的柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)。加拿大的LMI公司開發(fā)了專門應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人測(cè)量的視覺傳感器SRS-100-3D。

本項(xiàng)目針對(duì)工業(yè)在線柔性檢測(cè)技術(shù)的需要，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人與視覺檢測(cè)技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建基于工業(yè)機(jī)器人柔性視覺檢測(cè)系統(tǒng)。它改變了視覺檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中傳統(tǒng)的傳感器固定式方法，采用高可靠性、高靈活性、高精度、可編程的工業(yè)機(jī)器人，在應(yīng)用技術(shù)開發(fā)、學(xué)術(shù)理論研究上都有很大的必要性和可行性。本項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的100%在線柔性檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)零廢品生產(chǎn)。該項(xiàng)目打破了國外同類設(shè)備的技術(shù)壟斷，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)大幅節(jié)省了成本。

課題組在原理發(fā)明基礎(chǔ)上，開展了大量面向工程應(yīng)用的研發(fā)工作，參考?xì)W洲PSA標(biāo)準(zhǔn)，制定了柔性在線自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)、軟件規(guī)范、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、控制接口標(biāo)準(zhǔn)和工程安裝調(diào)試規(guī)范，研制了性能穩(wěn)定可靠、主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平的測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)，為柔性在線自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為全面監(jiān)控制造狀況，每條柔性混流生產(chǎn)線需要在多個(gè)工位上設(shè)置多個(gè)（3～6個(gè)）柔性測(cè)量站，按照國外報(bào)價(jià)，每個(gè)柔性測(cè)量站約合100萬歐元（1 000多萬人民幣），投資巨大。在當(dāng)前國內(nèi)汽車工業(yè)正承接國際汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的大背景下，每個(gè)汽車制造廠都擁有多條焊裝生產(chǎn)線，柔性在線測(cè)量有著廣闊而巨大的市場(chǎng)空間。

在國內(nèi)一線的汽車制造廠（合資企業(yè)）中，包括柔性在線測(cè)量設(shè)備在內(nèi)的高端制造裝備，因?yàn)榧夹g(shù)難度大、利潤高，此前一直為國外產(chǎn)品所壟斷。基于本發(fā)明技術(shù)開發(fā)的柔性在線測(cè)量設(shè)備產(chǎn)品，首次通過國際招標(biāo)采購程序，進(jìn)入國內(nèi)主流汽車制造廠，開創(chuàng)了國產(chǎn)高端在線測(cè)量設(shè)備進(jìn)入由國外產(chǎn)品壟斷的汽車制造業(yè)的先例。近4年多的實(shí)際運(yùn)行（作為在線測(cè)量設(shè)備，必須24小時(shí)不停機(jī)，不間斷運(yùn)行）表明，產(chǎn)品的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性滿足歐洲相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平。已經(jīng)和東風(fēng)神龍、一汽大眾等主流汽車廠建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系，提供柔性在線測(cè)量設(shè)備和技術(shù)服務(wù)，由此將積極促進(jìn)國產(chǎn)汽車制造工藝的優(yōu)化和產(chǎn)品改進(jìn)升級(jí)，提升國內(nèi)汽車工業(yè)的核心競爭力。

2007年在江淮汽車廠C926新型轎車焊裝生產(chǎn)線上，采用基于2臺(tái)KUKA工業(yè)機(jī)器人構(gòu)建了柔性在線測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多車型的混線柔性測(cè)量，完全達(dá)到了合同規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量結(jié)果為新生產(chǎn)線的調(diào)試、產(chǎn)品制造過程控制提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

東風(fēng)神龍汽車X7項(xiàng)目（雪鐵龍C5轎車）是法國PSA公司開拓中國市場(chǎng)的重點(diǎn)項(xiàng)目，為此在武漢新建了全球樣板工廠（神龍2廠），其生產(chǎn)線規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)高，質(zhì)量控制嚴(yán)，技術(shù)難度大，對(duì)配套設(shè)備和供應(yīng)商都有嚴(yán)格要求。為提升車身制造水平，新生產(chǎn)線上規(guī)劃了柔性（激光）在線測(cè)量設(shè)備，是確保焊裝工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，為此東風(fēng)神龍公司組織了全球招標(biāo)采購，美國Perceptron公司、法國Edixia公司及本發(fā)明產(chǎn)品等參加競標(biāo)，本發(fā)明產(chǎn)品最終勝出。4年的運(yùn)行結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)全面達(dá)到了合同規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，工作狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，使用靈活，功能全面，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

2008年底，又通過國際競標(biāo)方式取得了為東風(fēng)本田提供整套柔性測(cè)量系統(tǒng)的合同，測(cè)量設(shè)備已正式投入運(yùn)行。作為一項(xiàng)先進(jìn)的柔性在線測(cè)量手段，國內(nèi)各汽車廠商在后續(xù)生產(chǎn)線規(guī)劃中，將大量選用該設(shè)備，如一汽大眾德成都3廠、上海大眾安亭2廠、東風(fēng)本田3廠、奇瑞大連工廠、東風(fēng)神龍新生產(chǎn)線、一汽解放新生產(chǎn)線等。我們正積極溝通，直面國外競爭，爭取把自主柔性在線測(cè)量技術(shù)設(shè)備全面推廣，樹立高端測(cè)量設(shè)備的國產(chǎn)品牌，為提高我國汽車制造水平和產(chǎn)品檔次提供有效的檢測(cè)手段和設(shè)備。■

2011-03-09