自動化技術(shù)的發(fā)展過程是由機(jī)器逐步替代人工的過程(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自動化技術(shù)的發(fā)展過程是由機(jī)器逐步替代人工的過程。人的大腦、四肢、感官和神經(jīng)系統(tǒng)就相當(dāng)于自動化系統(tǒng)的核心控制器。人的視覺作為人本身較復(fù)雜的功能是較晚被仿真應(yīng)用到自動化過程中的一種感官功能。自動化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器視覺的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而在很多情況下，人類的視覺越來越不能滿足生產(chǎn)的需要，因此對替代人類視覺的自動化技術(shù)有了迫切的需要。 機(jī)器視覺概述 機(jī)器視覺系統(tǒng)起步于20世紀(jì)80年代，是指用機(jī)器來實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，也就是用機(jī)器來實(shí)現(xiàn)對客觀的三維世界的識別。按現(xiàn)在的理解，人類視覺系統(tǒng)的感受部分是視網(wǎng)膜，它是一個三維采樣系統(tǒng)。三維物體的可見部分投影到網(wǎng)膜上，人們按

2、照投影到視網(wǎng)膜上的二維圖像來對該物體進(jìn)行三維理解。所謂三維理解是指人們對被觀察對象的形狀、尺寸、離開觀察點(diǎn)的距離、質(zhì)地和運(yùn)動特征（方向和速度）等的理解。 機(jī)器視覺系統(tǒng)的輸入裝置可以是攝像機(jī)、感應(yīng)器等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入機(jī)器的就是三維世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影看作是一種正變換的話，那么機(jī)器視覺系統(tǒng)所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。機(jī)器視覺的基本構(gòu)成見圖1。圖1 機(jī)器視覺基本構(gòu)成 機(jī)器視覺系統(tǒng)的處理步驟通常為：圖像的獲取、處理、分析及輸出執(zhí)行。圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機(jī)等；圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的

3、軟件和硬件系統(tǒng)；輸出設(shè)備是與制造過程相連的有關(guān)系統(tǒng)，包括過程控制器和報(bào)警裝置、機(jī)器人等。 機(jī)器視覺的特點(diǎn)主要是精度高、速度快、重復(fù)性好和無疲勞。使用機(jī)器視覺可以很好地提高產(chǎn)品質(zhì)量和自動化程度，尤其在一些不適合人工操作的危險(xiǎn)工作環(huán)境或是對產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場合，機(jī)器視覺更適合替代人工。目前將近80%的工業(yè)視覺系統(tǒng)主要用在檢測方面，包括用于提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量和采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。 機(jī)器視覺在國外工業(yè)生產(chǎn)中使用較多，但在國內(nèi)還處于剛起步階段。目前在煙草行業(yè)、汽車行業(yè)等多個行業(yè)中被應(yīng)用。在汽車行業(yè)中的應(yīng)用主要包括： 1裝配監(jiān)測：車頂組裝、測量發(fā)動機(jī)/齒輪組裝、天窗組裝、車門安裝、沖壓件的

4、裝載和卸載、車輪組裝、座艙組裝玻璃裝飾、發(fā)動機(jī)裝卸、運(yùn)輸沖壓件的選取、側(cè)板的裝卸及發(fā)動機(jī)組裝的柔性監(jiān)測； 2編碼監(jiān)測：汽車二維條碼的識別； 3完整性監(jiān)測：車門主要密封，底盤密封，間隙、齊平測量； 4粘結(jié)性監(jiān)測：底板PVC涂膠。 機(jī)器視覺系統(tǒng)在裝配方面應(yīng)用范圍最為廣泛的是擋風(fēng)玻璃和座艙的安裝，其能夠很好地滿足高精度的安裝要求。而在白車身焊接中，機(jī)器視覺應(yīng)用的實(shí)例并不多。本文介紹幾種在白車身制造中的機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用。 焊縫自動跟蹤 手工或半自動焊接是依靠操作者肉眼的觀察和手工的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對焊縫的跟蹤。對于機(jī)器人或自動焊接專機(jī)等全自動化的焊接應(yīng)用，主要靠機(jī)器的編程和記憶能力、工件及其裝配的精度和一

5、致性來保證焊槍能在工藝許可的精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)焊縫。通常，機(jī)器的重復(fù)定位精度、編程和記憶能力等已能滿足焊接的要求。然而，在很多情況下，工件及其裝配的精度和一致性不易滿足大型工件或大批量自動焊接生產(chǎn)的要求，其中還存在因過熱而導(dǎo)致的應(yīng)力和變形的影響。因此，一旦遇到這些情況，就需要有自動跟蹤裝置，用來執(zhí)行類似于手工焊中人眼與手的協(xié)調(diào)跟蹤與調(diào)節(jié)的功能。這種情況下，機(jī)器視覺系統(tǒng)就會替代人類視覺來完成類似的自動導(dǎo)航功能。主要的應(yīng)用方式為機(jī)器視覺系統(tǒng)與機(jī)器人相結(jié)合，采用的焊接方式通常為弧焊和激光焊接，尤其是應(yīng)用于激光焊接技術(shù)，能極大地提高焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性。主要應(yīng)用的范圍為白車身側(cè)圍框架、車頂側(cè)圍總成和車門框

6、架等。 應(yīng)用較為廣泛的焊縫跟蹤的視覺系統(tǒng)，通常采用的是激光視覺傳感方式。目前這種方式技術(shù)成熟，成本合適，能適應(yīng)白車身焊接中的多種板材連接方式的焊接，穩(wěn)定性較好，是一種性價比較高的機(jī)器視覺解決方案。 激光視覺傳感的基本原理就是光學(xué)的三角測量原理，激光束照射到目標(biāo)物體的表面，形成一個光斑點(diǎn)，經(jīng)過攝像頭上的透鏡在光敏探測器上產(chǎn)生一個像點(diǎn)。由于激光器與攝像頭的相對位置是固定的，當(dāng)激光傳感器與目標(biāo)物體的距離發(fā)生變化時，光敏探測器上的像點(diǎn)位置也相應(yīng)發(fā)生變化，所以根據(jù)物像的三角形關(guān)系可以計(jì)算出高度的變化，即測量了高度變化。當(dāng)激光束以一定的形狀掃描（掃描方式）或通過光學(xué)器件變換以光面的形式在目標(biāo)物體的表面投射

7、出線形或其他幾何形狀的條紋（結(jié)構(gòu)光方式），在面陣的光敏探測器上就可以得到表征目標(biāo)截面的激光條紋圖像（見圖2）。當(dāng)激光傳感器沿著物體表面掃描前進(jìn)時，就能得到所掃描表面形狀的輪廓信息。所獲得的信息可用于焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、自適應(yīng)焊接參數(shù)控制及焊縫成形檢測等。圖2 激光視覺傳感的基本原理 實(shí)際應(yīng)用中的焊縫跟蹤系統(tǒng)通常由以下部分組成（見圖3）：即工業(yè)機(jī)(PIII/PIV)、視覺傳感器、圖形控制界面、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人接口（可選）和數(shù)字模擬輸入輸出（可選）。圖3 焊縫跟蹤系統(tǒng)組成 以Meta-Scout公司生產(chǎn)的專用焊縫跟蹤傳感器Scout系列為例，通常的技術(shù)參數(shù)為：最小的精度誤差0.1mm；圖像采集頻率

8、50Hz；最大數(shù)據(jù)更新頻率250點(diǎn)/s。 Scout系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 1可控制機(jī)器人自動高精度工作，不需要機(jī)器人有預(yù)設(shè)的軌跡； 2可控制機(jī)器人在6D的方向上自由運(yùn)作（包括速度和軌跡）； 35根激光線，使系統(tǒng)的抗干擾性更強(qiáng)； 4測量數(shù)據(jù)精度高，運(yùn)算速度快。 通常的焊縫跟蹤系統(tǒng)能夠很好地識別下面集中板材接口類型的焊接，達(dá)到焊接參數(shù)自動優(yōu)化。 根據(jù)設(shè)定的各種焊縫形式，焊縫跟蹤系統(tǒng)自動進(jìn)行焊接參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)全權(quán)接管機(jī)器人的控制權(quán)限，由系統(tǒng)控制機(jī)器人行進(jìn)的軌跡、姿態(tài)以及速度等。 白車身焊接的應(yīng)用見圖4。圖4 車頂焊縫跟蹤 誤差控制 目前在車身制造中，最關(guān)鍵的問題是車身制造中的誤差控制，良好的誤差控制為涂裝、

9、總裝都會帶來很大的方便，良好的誤差控制可以使裝配工作簡單化，減少不必要的調(diào)整和返修工作。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對白車身進(jìn)行檢測，關(guān)鍵是車身總成和關(guān)鍵尺寸的檢測，來達(dá)到控制車身制造誤差的目的。 目前在上海大眾中使用ISRA-Vision的機(jī)器視覺系統(tǒng)在線測量車身總成尺寸，根據(jù)測得的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用機(jī)器人系統(tǒng)來完成汽車后尾燈安裝孔（見圖5）的加工、后保險(xiǎn)杠安裝支架固定螺栓的焊接、汽車前縱梁的激光切割及前保險(xiǎn)杠支架（見圖6）的激光焊接，從而糾正車身制造中的累計(jì)誤差，使總裝車間在安裝汽車后尾燈、后保險(xiǎn)杠和前保險(xiǎn)杠時不需要調(diào)整即可滿足安裝時的間隙和平整度要求。圖5 后尾燈安裝孔圖6 前縱梁和保險(xiǎn)杠支架 以ISR

10、A-Vision測量系統(tǒng)為例，該測量系統(tǒng)與前文所介紹的機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成一致，主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、攝像機(jī)及照明單元，連接總線用于上位機(jī)，通常為工位PLC控制器通信；用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常為機(jī)器人通信。 ISRA用于3D測量的技術(shù)稱為VIAMES，通常VIAMES系統(tǒng)用于白車身的制造中。其基本原理是通過獲取的圖像，分析得到其中的圖像特征，計(jì)算出相對于原始位置的位移，將補(bǔ)償偏移值傳送到機(jī)器人，由機(jī)器人來運(yùn)行到基于當(dāng)前白車身的新的位置進(jìn)行后續(xù)工作，從而來消除白車身制造誤差。 每個圖像特征由2個攝像機(jī)來獲取，這樣才能得到3D的數(shù)據(jù)。VIAMES測量的結(jié)果見圖7。圖7 VIAMES測量的結(jié)果 對

11、于VIAMES系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一點(diǎn)也最重要，首先需要對攝像機(jī)進(jìn)行校正（見圖8），校正的目的是確定攝像機(jī)在空間中的坐標(biāo)，包括X、Y、Z、Rx、Ry和Rz；確定攝像機(jī)本身的參數(shù)，包括相距、失真參數(shù)。圖8 攝像機(jī)的校正 測量的方法是通過對空間已知點(diǎn)的測量，來得到相對的空間坐標(biāo)。 在完成對各個攝像機(jī)的校正后，針對需要測量的白車身部位進(jìn)行拍攝，得到相關(guān)的圖像。針對不同的圖像特征采用相應(yīng)的圖像特征識別方式來達(dá)到最優(yōu)的特征抓取效率。其中包括預(yù)處理和搜索工具兩部分來完成特征的識別（見圖9）。通常使用的圖像模型識別方式有PF、PFR、EEI、PEI及USK等，并且可以根據(jù)實(shí)際得出的圖像處理結(jié)果，來調(diào)整圖像特征識別的

12、相關(guān)參數(shù)，包括坐標(biāo)系的偏移和上下限值等。圖9 圖像特征的識別（紅色為預(yù)處理區(qū)域，綠色為搜索工具區(qū)域） 在所有需要測量的車身部位相應(yīng)的模型示教完畢后，需要對待測車身進(jìn)行零測量，目的是為了確定一個參考位置/零位，用于作為今后所有測量數(shù)據(jù)的參考位置。零測量的結(jié)果由計(jì)算機(jī)的專門軟件自動運(yùn)算得到，操作人員需要完成的前期工作包括攝像機(jī)的校正、圖像模型的示教及安排樣件車到合適的位置等。這個樣件車將會作為今后的母板存在，通常使用特制的樣架來替代真實(shí)的白車身。零測量工作完成后，在線測量系統(tǒng)就可以正常投入運(yùn)行了。 每個圖像模型都會在設(shè)計(jì)時被賦予相應(yīng)的主類型號和子類型號，主類型號和子類型號組成了識別該圖形模型的惟一

13、ID，不允許不同的圖形模型有相同的ID（見圖10）。在自動運(yùn)行的情況下，由上位機(jī)給出相應(yīng)的ID號，來激活相應(yīng)的圖像模型識別，同時打開相應(yīng)的照明單元，獲取當(dāng)前白車身部位的圖像特征，由視覺控制軟件計(jì)算后得到相應(yīng)的偏移值，由總線傳輸給下位執(zhí)行機(jī)構(gòu)如機(jī)器人，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照新的位置來完成工作，諸如焊接、打孔、切割及裝配等，來消除在白車身制造過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差。圖10 圖像模型識別ID結(jié)構(gòu) 前文以ISRA-Vision系統(tǒng)為例，介紹了機(jī)器視覺系統(tǒng)在控制白車身制造誤差上的應(yīng)用，除了這些典型的應(yīng)用，機(jī)器視覺系統(tǒng)還有車身零件安裝的完整性檢測以及焊接工藝的監(jiān)測等應(yīng)用。 結(jié)語 目前的機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展很快，產(chǎn)品序列從低檔到高檔，完全能滿足客戶不同的應(yīng)用需要。機(jī)器視覺系統(tǒng)向智