郝樹新　林錦州　劉芳

摘 要：隨著汽車行業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提升，傳統(tǒng)的人工質(zhì)檢方式已經(jīng)無法滿足日益提高的汽車質(zhì)量檢驗(yàn)效率需求。機(jī)器視覺技術(shù)以其快速、準(zhǔn)確、智能的特點(diǎn)在汽車質(zhì)量檢驗(yàn)領(lǐng)域得到快速發(fā)展。本文通過對(duì)機(jī)器視覺檢驗(yàn)技術(shù)的原理進(jìn)行分析，研究機(jī)器視覺在汽車質(zhì)量檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用場景，并分析其未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺 質(zhì)量檢驗(yàn) 汽車生產(chǎn)

1 引言

作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的汽車制造業(yè)，其自動(dòng)化程度在現(xiàn)代工業(yè)中處于較高水平，且多個(gè)環(huán)節(jié)已做到無人化操作，生產(chǎn)效率得到有效提升，但同時(shí)對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)效率的要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式已經(jīng)無法滿足汽車生產(chǎn)現(xiàn)場質(zhì)檢的需求。機(jī)器視覺技術(shù)以其快速性、精確性、智能化的技術(shù)優(yōu)勢成為現(xiàn)場質(zhì)檢效率提升的首選，尤其隨著人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在汽車質(zhì)量檢驗(yàn)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 機(jī)器視覺檢驗(yàn)原理

機(jī)器視覺主要是指用機(jī)器來代替人眼進(jìn)行測量與判斷。[1]機(jī)器視覺系統(tǒng)通過機(jī)器視覺采集設(shè)備將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)軟件，通過對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算抽取目標(biāo)的特征，來進(jìn)行結(jié)果判定。應(yīng)用于質(zhì)量檢驗(yàn)過程時(shí)，主要是通過對(duì)被檢對(duì)象的圖像信號(hào)基于圖像缺陷檢驗(yàn)算法進(jìn)行處理，判定其是否滿足質(zhì)量檢驗(yàn)要求。

一套完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策和機(jī)械執(zhí)行模塊。[2]隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有視覺系統(tǒng)通常集成多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過在檢驗(yàn)過程中的自適應(yīng)調(diào)整不斷對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更高精度及準(zhǔn)確率的檢驗(yàn)。[3]

機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用方向目前主要聚焦于視覺測量、視覺引導(dǎo)及視覺檢測三個(gè)方向，極大的提高了工業(yè)生產(chǎn)中的柔性和自動(dòng)化程度，尤其對(duì)于大批量生產(chǎn)能夠在極大減少人工成本的同時(shí)提高生產(chǎn)質(zhì)量。[4]

3 機(jī)器視覺在汽車質(zhì)檢領(lǐng)域應(yīng)用場景

傳統(tǒng)的汽車質(zhì)量檢驗(yàn)方法主要靠人工的方式進(jìn)行，質(zhì)檢員通過肉眼或工具逐一對(duì)整車進(jìn)行人工檢驗(yàn)，由于人存在主觀判斷誤差及眼睛疲勞因素，人工檢測方法存在檢測質(zhì)量不穩(wěn)定、缺陷不易識(shí)別及檢測效率低下的問題。[5]雖然隨著自動(dòng)化水平的提高，部分自動(dòng)化檢測設(shè)備也在汽車質(zhì)檢領(lǐng)域得到應(yīng)用，但仍無法滿足汽車行業(yè)日益增長的質(zhì)量管控需求。因此視覺檢驗(yàn)技術(shù)在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并基本貫穿了整個(gè)汽車生產(chǎn)過程，主要應(yīng)用場景包括工藝檢測、尺寸檢驗(yàn)、虛擬裝配、錯(cuò)漏裝檢測等。

3.1 工藝檢測

汽車在生產(chǎn)過程中在沖焊涂總需要經(jīng)過大量使用各種生產(chǎn)工藝，沖壓、焊接、漆面噴涂、涂膠裝配等工藝完成的效果檢驗(yàn)需進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，由于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式多數(shù)為人工目視檢驗(yàn)，因此機(jī)器視覺在工藝檢測方面得到多方面應(yīng)用。

在沖壓車間，如果沖壓件表面出現(xiàn)開裂、劃痕、毛刺、縮頸等表面缺陷，對(duì)沖壓件的耐久度、光潔度以及后續(xù)涂裝的整體效果都會(huì)產(chǎn)生較大影響，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式精度及效率較低，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用可更加準(zhǔn)確且穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)流水線上沖壓件的缺陷檢測，減少檢測人員的工作負(fù)荷。[6]

在焊裝車間，焊接是結(jié)構(gòu)件成型的重要工藝技術(shù)。焊縫余高及熔寬是評(píng)價(jià)焊接工藝質(zhì)量的關(guān)鍵要素，目前通過線結(jié)構(gòu)光視覺與工業(yè)機(jī)器人的組合，可實(shí)現(xiàn)通過機(jī)器人跟蹤焊縫實(shí)時(shí)拍攝并檢測焊縫質(zhì)量。[7]但是由于焊接過程中的飛濺、高溫等干擾因素，對(duì)焊縫引導(dǎo)和跟蹤檢測系統(tǒng)的防護(hù)功能要求較高。

在涂裝車間，整車漆面質(zhì)量主要通過人工目視檢驗(yàn)的方式進(jìn)行，但由于噴涂質(zhì)量缺陷種類多、尺寸小、人工肉眼容易疲勞等因素，造成人工檢驗(yàn)耗時(shí)長、效率低下的問題，而且油漆對(duì)檢驗(yàn)人員健康也有所影響，因此機(jī)器視覺檢驗(yàn)技術(shù)逐步在汽車噴涂缺陷自動(dòng)檢測方面得到廣泛應(yīng)用。[8]目前主流的漆面質(zhì)量測量系統(tǒng)主要基于反射式條紋偏折法，通過顯示器投影正弦條紋到被測面上，經(jīng)反射后由采集設(shè)備采集，基于相位提取算法對(duì)信息進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)漆面檢驗(yàn)。

在總裝車間，膠粘工藝是擋風(fēng)玻璃及天窗安裝的主要連接工藝。涂膠的位置、截面直徑及連續(xù)性是決定膠條質(zhì)量的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的人工目視檢驗(yàn)方法效率低下，同時(shí)需用游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行測量，這種直接接觸的方法容易導(dǎo)致膠條變形，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。[9]而機(jī)器視覺檢測技術(shù)作為一種無接觸的檢測方式，可以實(shí)時(shí)客觀的判斷涂膠質(zhì)量是否滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，極大地提高生產(chǎn)檢測效率。目前涂膠視覺檢測方法包括兩種，一種為涂膠檢測傳感器與膠槍隨動(dòng)檢測，另一種方法為涂膠完成后進(jìn)行整體拍攝檢驗(yàn)。

3.2 尺寸檢驗(yàn)

整車白車身是汽車所有零部件的基本載體，白車身的尺寸精度能夠直接影響車身外形、氣動(dòng)性能以及零部件安裝匹配精度等，因此對(duì)白車身的尺寸控制是車身質(zhì)量管控的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的的車身測量方法包括樣架檢測、三坐標(biāo)檢測及在線人工檢測三種方式，但傳統(tǒng)的測量方法測量效率低下，測量數(shù)據(jù)量嚴(yán)重不足，增加了汽車生產(chǎn)的時(shí)間成本、人工成本。[10]而機(jī)器視覺檢測技術(shù)能夠?yàn)檎嚦叽鐧z驗(yàn)提供穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，主要通過固定式在線測量站及機(jī)器人柔性測量站等在線測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車車身全過程尺寸的監(jiān)控測量，確保整車質(zhì)量。機(jī)器視覺尺寸測量方法主要包括兩種技術(shù)，激光在線測量技術(shù)及藍(lán)光掃描測量技術(shù)。[11]

激光在線測量技術(shù)主要基于三角測量原理，利用線狀激光構(gòu)造被測的特征，結(jié)合光源照明，獲得被測特征表面信息，通過相機(jī)拍攝特征圖像，將測量圖像中的二維坐標(biāo)基于模型轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)。這種測量方法對(duì)于環(huán)境的要求不高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整車車身進(jìn)行百分百實(shí)時(shí)在線測量，且可通過計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)報(bào)表，自動(dòng)生成各類尺寸偏差分析圖表。

藍(lán)光掃描測量技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量的局限性，可實(shí)現(xiàn)整體形貌尺寸的測量與分析，測量系統(tǒng)可利用安裝在機(jī)械臂上的掃描儀測量車身的三維形狀，同時(shí)將測量結(jié)果與理論模型進(jìn)行比對(duì)檢查，以分析檢驗(yàn)部件的形狀、尺寸及角度等信息，可獲得高密度的測量數(shù)據(jù)，測量效率高，評(píng)價(jià)也更為全面。

3.3 虛擬裝配

隨著汽車生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度的逐漸增加，多點(diǎn)位人工裝配逐步被工業(yè)機(jī)器人裝配所替代，而如何保證工業(yè)機(jī)器人裝配精度并優(yōu)化裝配過程成為汽車行業(yè)裝配自動(dòng)化關(guān)注的重點(diǎn)。借助機(jī)器視覺技術(shù)的視覺測量及視覺引導(dǎo)技術(shù)特性，機(jī)器視覺技術(shù)逐漸滲透到汽車制造全過程，比如引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行最佳匹配安裝以及虛擬匹配安裝等。

基于視覺引導(dǎo)的機(jī)器人自動(dòng)裝配技術(shù)是目前車身裝配的主流發(fā)展方向，可通過視覺檢測結(jié)果引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行配件的高精度安裝，極大地提高了環(huán)境適應(yīng)能力及智能化程度。

虛擬裝配主要指的是通過機(jī)器視覺對(duì)車身關(guān)鍵尺寸及零部件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，通過三維數(shù)據(jù)模型對(duì)關(guān)鍵尺寸坐標(biāo)進(jìn)行智能匹配，同時(shí)可以借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)展示三維仿真虛擬裝配過程，分析車身尺寸是否滿足零部件安裝要求，如存在孔位不正或者尺寸偏差問題及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，提醒相關(guān)人員進(jìn)行快速處置，避免長時(shí)間停線造成的時(shí)間及人工成本增加。

3.4 錯(cuò)漏裝檢測

汽車產(chǎn)品生產(chǎn)一致性尤其是零部件參數(shù)一致性是目前國家監(jiān)察管控的重點(diǎn)，2020年工信部對(duì)部分生產(chǎn)不一致情況的企業(yè)進(jìn)行了監(jiān)督約談，因此如何保證實(shí)際生產(chǎn)整車零部件配置參數(shù)與申報(bào)公告參與保持一致，并進(jìn)行定期核查成為企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。[12]由于整車零部件較多，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式效率低下，且容易判斷錯(cuò)誤或漏檢，如何利用機(jī)器視覺技術(shù)提高錯(cuò)漏裝檢驗(yàn)效率已成為機(jī)器視覺在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的一大重要應(yīng)用場景。

機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于錯(cuò)漏裝檢驗(yàn)主要包括兩種方式，一種是利用視覺讀碼技術(shù)，通過視覺傳感器讀取零部件信息，實(shí)現(xiàn)零部件在生產(chǎn)過程中的可追溯同時(shí)可與公告參數(shù)申報(bào)信息進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，而避免出現(xiàn)生產(chǎn)差錯(cuò)。另一種檢驗(yàn)方式為通過固定點(diǎn)位對(duì)整車外觀進(jìn)行拍照，通過機(jī)器視覺識(shí)別外觀件型號(hào)、顏色及車型配置等，來與整車申報(bào)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，來判斷是否存在零部件錯(cuò)漏裝的現(xiàn)象?？膳c生產(chǎn)一致性管理系統(tǒng)對(duì)接，自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)一致性參數(shù)核查。除此之外關(guān)鍵緊固件如螺栓、螺柱是否存在錯(cuò)漏裝也是機(jī)器視覺裝配檢驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)。

4 結(jié)語

如今機(jī)器視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)汽車生產(chǎn)效率及質(zhì)量保證能力的提升起到了極大地推動(dòng)作用。隨著數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展及逐漸成熟，未來機(jī)器視覺技術(shù)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用空間將更加廣闊，對(duì)我國汽車產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平的提升也必將起到積極作用。

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