劉 維

(?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司， 青島 266101)

0 引言

對于現(xiàn)代化的汽車生產(chǎn)制造工業(yè)，高效率的測量設(shè)備在確保汽車質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。汽車車身、鈑金件和其他沖壓件在制造過程中需要進行高精度測量。傳統(tǒng)的檢測方法有檢具檢測、三座標檢測等，但是以上方法都存在一定的缺陷。如傳統(tǒng)的檢具一般只針對一項參數(shù)檢驗，多為手工操作，工作效率不高；而三坐標檢測雖然精度高,但需要良好的溫度環(huán)境控制，而且柔性較差，無法滿足車間型的、大批量的快速檢測。本文介紹一套運用先進的非接觸測量技術(shù)的全自動三維光學數(shù)碼測量系統(tǒng)。它集成了尖端的機器人技術(shù)、安全系統(tǒng)、人機界面、旋轉(zhuǎn)平臺及柔性夾具等，用于汽車零部件及白車身的測量。該系統(tǒng)千分之一秒的圖像采集速度，不受光線變化、溫度變化及震動的影響，可以應用于多種車輛程序，快速測量工件尺寸，準確提供零件全表面、邊界、孔，表面點及截面線等特征的測量數(shù)據(jù)。

測量系統(tǒng)結(jié)合了功能完善的測量軟件能夠有效保證測量任務的順利完成，并實現(xiàn)了對坐標程序、測量程序和報告系統(tǒng)的有序管理；報告系統(tǒng)為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及特征尺寸評價數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能能夠有效監(jiān)控生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，保證汽車生產(chǎn)質(zhì)量。

1 光學測量原理

Cognitens光學測量系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)光、非接觸測量，結(jié)構(gòu)光是基于光學的三角法測量原理，通過光源將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射到物體的表面，在表面形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的光學三維圖像，該三維圖像通過三組相機拍攝獲得物體二維的畸變圖像。根據(jù)結(jié)構(gòu)光的3D信息，利用三維重構(gòu)技術(shù)經(jīng)過計算機計算處理得到物體表面的三維坐標信息。整個系統(tǒng)的投影及拍照方式如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)光圖像采集原理示意圖

當投影光通過帶有編碼的光柵時，編碼結(jié)構(gòu)光投影在物體表面上發(fā)生了變形，三組相機以特定的角度同時拍攝被測物體表面，從而每個相機從不同的方向上獲得物體的二維圖像信息，根據(jù)光學三角測量原理，利用圖像處理技術(shù)重構(gòu)被測物三維圖像信息。

2 測量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是一套全自動的測量系統(tǒng)，精度高、重復性好，同時以工業(yè)機器人為依托，集成了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，具有測量速度快、柔性強等特點，可以同時滿足多種車型的測量需求。實現(xiàn)工件的全尺寸測量，既可以對單個工件進行質(zhì)量控制，也可以對批量測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)控整個生產(chǎn)過程保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)包含Cogitens光學測量系統(tǒng)、工業(yè)機器人、轉(zhuǎn)臺、PLC安全控制系統(tǒng)、光幕、測量支架和圍欄。三轉(zhuǎn)臺分別用于多種車型的四門、前蓋及后蓋的測量，實現(xiàn)了“換取工件不占用測量時間，機器持續(xù)工作”的現(xiàn)代化工作理念，極大提高了測量效率。測量系統(tǒng)布局，如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)仿真布局圖

整個Cognitens光學測量系統(tǒng)在車間現(xiàn)場進行安裝及使用，不受震動、光線變化及溫度的影響，能夠快速獲取被測工件表面的點云數(shù)據(jù)，自動完成測量數(shù)據(jù)與CAD模型的對比。機器人作為執(zhí)行測量的載體，重復定位精度高、運動速度快，能夠快速完成測量工作。而且其柔性好，可以根據(jù)不同的車型編制不同的程序，滿足測量需求。轉(zhuǎn)臺攜帶柔性的測量支架，機器人可以在測量同時，操作人員準備下一次的測量任務。測量支架設(shè)計滿足不同車型同類零件的支撐，無需更換專用的測量支架，進一步提高了測量效率，同時減少了操作人員的工作強度，圖3為實際的機器人測量系統(tǒng)。

圖3 Cognitens機器人測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對工件表面數(shù)據(jù)分析，根據(jù)表面測量數(shù)據(jù)與CAD模型進行對比，產(chǎn)生色差圖。對圓孔、槽、方孔、法蘭孔、圓柱和球特征，利用多角度定位拍攝技術(shù)，精確測量孔位及實體的位置和尺寸。并且能夠?qū)Ρ砻纥c、包邊點、切邊點及單點測量，實現(xiàn)對零件關(guān)鍵點的控制，快速分析測量階差和縫隙，清晰明了的反映實際工件與數(shù)模的差距，保證零件生產(chǎn)質(zhì)量，圖4顯示了前蓋內(nèi)板的色差分析圖。

圖4 色差分析圖

3 安全保護

由于機器移動速度快，操作安全是重中之重。系統(tǒng)中使用PLC做為Master，機器人作為Slave，安全繼電器作為硬件保護，Devicenet作為現(xiàn)場通信總線組成安全控制系統(tǒng)，通過硬件和軟件兩個方面完成安全保護。

硬件方面:采用標準的工業(yè)機器人,安全系統(tǒng)通過PLC控制，使用安全繼電器直接控制機器人的安全回路。轉(zhuǎn)臺保護，安全門的開關(guān)與對應的轉(zhuǎn)臺串聯(lián)保護，機器人工作區(qū)域通過光幕隔開，更好的保護操作人員安全。

軟件方面:通過機器人編程，定義機器人的每條運動指令只定義使用的軸組，使三個轉(zhuǎn)臺中與當前任務不相關(guān)的軸從軟件中被去除，進而在軟件上進一步對操作安全進行保護。

安全保護邏輯，當機器人測量過程中接觸到啟動的光幕，或機器人維修安全門打開，機器人馬上停止運動；當操作人員更換測量工件時，一旦打開安全門，光幕與轉(zhuǎn)臺鎖定保護啟動，如果轉(zhuǎn)臺突然發(fā)生轉(zhuǎn)動，操作人員或者機器人接觸光幕，機器人停止運動。

安全保護流程如圖5所示。

圖5 安全保護流程圖

4 測量數(shù)據(jù)驗證

系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)驗證方法，即測量數(shù)據(jù)與三坐標測量數(shù)據(jù)直接對比：在三坐標和機器人光學測量系統(tǒng)上，測量同一個工件上的相同特征(如圓，曲面點和邊界點等)，圖6顯示車門的測量數(shù)據(jù)與理論值偏差在±0.10mm以內(nèi)。

圖6 三坐標與Cognitens系統(tǒng)車門測量數(shù)據(jù)對比報告

5 結(jié)束語

Cognitens機器人協(xié)同轉(zhuǎn)臺的非接觸光學測量系統(tǒng)具有“一鍵”測量操作功能，簡化的操作界面，實現(xiàn)了“傻瓜式”測量操作，并且系統(tǒng)能夠自動校驗測頭，進行溫度補償。

功能強大的測量軟件有效的保證了測量任務的順利完成，為客戶提供了全面的色差分析數(shù)據(jù)及單點特征測量數(shù)據(jù)；強大的SPC數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，有效的監(jiān)控生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對汽車生產(chǎn)過程的控制；獨特的、面向?qū)ο蟮臏y量數(shù)據(jù)驗證方法，進一步驗證了測量數(shù)據(jù)的可靠性、真實性和有效性。

Cognitens的全自動白光測量解決方案，方便的實現(xiàn)與車間現(xiàn)場的融合，快速提供測量反饋，為客戶提供了零件的全面質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，并大大降低了設(shè)備的投入及時間成本，從而為高品質(zhì)汽車生產(chǎn)與質(zhì)量控制提供了又一先進、實用的測量解決方案，將廣泛的應用于車間現(xiàn)場的在線質(zhì)量監(jiān)控。

[1] Opticell User Manual.Version 3.7.1 January.2008

[2] 張廣軍.視覺測量[M].北京：科學出版社,2008

[3] 邾繼貴.IVECO車身視覺檢測系統(tǒng)現(xiàn)場溯源研究.計量學報,2001(1)