更多的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)將應(yīng)用在汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域

汽車產(chǎn)業(yè)作為制造業(yè)中的明珠，具有制造工藝復(fù)雜、裝配線柔性大、作業(yè)手法精密、生產(chǎn)節(jié)拍緊張等特點(diǎn)[1]。以總裝車間為例，生產(chǎn)一臺(tái)車需要經(jīng)過(guò)400～500 個(gè)崗位，500～600 名員工的作業(yè)，汽車制造流水線每50～90 s 就有一臺(tái)車下線，整個(gè)制造過(guò)程十分依賴人工[2]，提高人員效率，降低生產(chǎn)成本是汽車企業(yè)的重要方向，最終就體現(xiàn)在自動(dòng)化程度的提升上[3]。

工業(yè)中的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，通俗的說(shuō)就是用設(shè)備代替人工完成測(cè)量、檢查、引導(dǎo)、識(shí)別等一系列操作[4]，設(shè)備相比于人來(lái)說(shuō)，不會(huì)疲累，不受環(huán)境影響，工作效率高，檢測(cè)更穩(wěn)定[5]，不僅能提升汽車生產(chǎn)的人員效率，而且能獲得更高的汽車品質(zhì)[6]。

2 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與某車企總裝車間介紹

2.1 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的主要組成部分包括光源、視覺(jué)相機(jī)、圖像處理器、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等[7]，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)作為工業(yè)技術(shù)中的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，涉及到圖像處理、數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換、機(jī)械工程、自動(dòng)化檢測(cè)、光源設(shè)計(jì)、圖像傳感器技術(shù)、模擬電子信號(hào)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、人機(jī)協(xié)同技術(shù)等，每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)影響到視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步[8]。

從視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展歷史來(lái)看，視覺(jué)技術(shù)自20世紀(jì)50 年代提出，經(jīng)歷了CCD 技術(shù)出現(xiàn)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力躍升、LED 任意光場(chǎng)設(shè)計(jì)、OCR 識(shí)別技術(shù)等多次技術(shù)突破才逐漸成為可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的成熟技術(shù)[9]。

2.2 某車企總裝車間介紹

某主機(jī)廠現(xiàn)為國(guó)內(nèi)主流汽車公司，單條生產(chǎn)線的整車制造能力達(dá)到24 萬(wàn)臺(tái)/年?？傃b車間作為整車制造四大工序的最后一個(gè)流程，具有人員多、工藝復(fù)雜、節(jié)拍緊張、品質(zhì)要求高的特點(diǎn)，某車企總裝車間的生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)到70 JPH（臺(tái)/每小時(shí)），平均51 s 下線一臺(tái)整車，緊張的生產(chǎn)節(jié)奏需要大量的崗位和員工。

某車企的總裝車間近年來(lái)自動(dòng)化程度不斷提高，已經(jīng)導(dǎo)入了輪胎自動(dòng)化安裝設(shè)備、前后擋風(fēng)玻璃自動(dòng)安裝設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)質(zhì)檢設(shè)備、車門自動(dòng)涂膠設(shè)備、車身加強(qiáng)劑自動(dòng)底涂設(shè)備等，大大優(yōu)化了人員效率。其中多數(shù)自動(dòng)化設(shè)備都運(yùn)用到視覺(jué)技術(shù)，在自動(dòng)化程度不斷提高的過(guò)程中與多個(gè)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)廠家如ABB、安川首鋼、基恩士、康耐視、SRT 等都有密切合作。

3 某車企總裝車間視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用

人工質(zhì)檢的缺點(diǎn)是人員疲憊后的穩(wěn)定性和可靠性降低，易受到環(huán)境干擾，質(zhì)量研究表明，人工作業(yè)的出錯(cuò)概率為3‰，而正常工作的機(jī)器出錯(cuò)的概率可以降低到0，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的品質(zhì)保證能力大大強(qiáng)于人工質(zhì)檢。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在某車企總裝車間的應(yīng)用實(shí)踐主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)檢、加強(qiáng)劑涂布質(zhì)量檢查、玻璃膠型檢查、手持終端檢查等。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)檢

在某主機(jī)廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢包括檢查螺栓緊固是否疏漏、零件有無(wú)漏裝及安裝不良、卡箍安裝位置是否正確、條碼標(biāo)簽是否準(zhǔn)確等。因此利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)需要克服質(zhì)檢點(diǎn)分布廣、類別多、判斷基準(zhǔn)各不相同的難點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢的解決方案是采用4 臺(tái)機(jī)器人攜帶200 萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)，分布在發(fā)動(dòng)機(jī)的左前、左后、右前、右后位置，如圖1 所示。質(zhì)檢結(jié)果形成數(shù)據(jù)庫(kù)用于追溯和查詢。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)半徑為712 mm，可完全覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)所有質(zhì)檢點(diǎn)。在45 s節(jié)拍內(nèi)檢查項(xiàng)目34 項(xiàng)，共47 點(diǎn)，包括條形碼核對(duì)、紅油標(biāo)識(shí)、卡箍安裝狀態(tài)、密封圈安裝狀態(tài)等。

發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢的工作流程，如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢流程

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的原理是首先獲取被檢查點(diǎn)圖像，通過(guò)曝光、灰度、邊緣銳化等處理，提取檢測(cè)點(diǎn)的明顯特征，并同檢測(cè)基準(zhǔn)對(duì)比，輸出檢查結(jié)果。例如，螺栓點(diǎn)油視覺(jué)質(zhì)檢的實(shí)現(xiàn)原理是利用具有紅油標(biāo)識(shí)的螺栓經(jīng)過(guò)視覺(jué)軟件的處理后，顯示為白色，如圖3 所示，沒(méi)有紅油標(biāo)識(shí)的螺栓顯示為黑色，依此為依據(jù)可以進(jìn)行點(diǎn)油標(biāo)識(shí)的明顯判斷。

當(dāng)視覺(jué)檢測(cè)出現(xiàn)異常情況時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并提示異常原因，通知生產(chǎn)管理人員處理，異常處理完畢后自動(dòng)記錄結(jié)果及處理人信息，便于后續(xù)品質(zhì)追溯。

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)檢上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了紅油螺栓的識(shí)別、卡箍安裝位置的測(cè)量、標(biāo)識(shí)碼的掃碼功能，相較于人工質(zhì)檢異常檢出率達(dá)到100%，質(zhì)檢工時(shí)下降20 s/臺(tái)，單臺(tái)產(chǎn)品車成本下降1.26元。并增加了品質(zhì)追溯能力，為過(guò)往異常的查詢和確認(rèn)提供了依據(jù)。視覺(jué)檢測(cè)軟件具備二次開發(fā)功能，可以根據(jù)后續(xù)新車型需求進(jìn)行功能開發(fā)。

3.2 加強(qiáng)劑涂布視覺(jué)檢查

安裝汽車前后擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃時(shí)，都需要在車身位置涂布一層加強(qiáng)劑，加強(qiáng)劑主要作用是增強(qiáng)玻璃與車身之間的粘合力，防止玻璃膠老化。加強(qiáng)劑的涂布要求達(dá)到均勻飽滿、完全覆蓋設(shè)定軌跡等標(biāo)準(zhǔn)，若不符合要求會(huì)影響到玻璃安裝品質(zhì)，因此需要檢查確認(rèn)，使用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行隨行檢查可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的檢測(cè)，并形成追溯管理。

加強(qiáng)劑涂布的視覺(jué)檢查主要由機(jī)器人、高速視覺(jué)相機(jī)、工控機(jī)組成，如圖4 所示，機(jī)器人攜帶高速視覺(jué)相機(jī)隨行涂布，每秒9 090 幀的高速視覺(jué)相機(jī)完成實(shí)時(shí)檢查。視覺(jué)相機(jī)跟隨涂布膠槍運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度350 mm/s,在高速涂膠的過(guò)程中，高速拍照獲取加強(qiáng)劑涂布照片，保證能夠滿足45 s 的設(shè)備節(jié)拍。

圖4 機(jī)器人攜帶視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行涂布檢查

加強(qiáng)劑涂布視覺(jué)檢查的工作流程，如圖5所示。

圖5 加強(qiáng)劑涂布視覺(jué)檢查流程

采用顏色傳感器與超聲波傳感器結(jié)合，加強(qiáng)劑涂布后通過(guò)打光顯示為黑色，車身顯示為白色，黑白分布變得明顯，再以20 mm×40 mm 的標(biāo)準(zhǔn)行程段進(jìn)行加強(qiáng)劑涂布的超聲波檢測(cè)。如圖6 所示，若搜索出涂布面積符合要求，則一直跟隨拍照檢測(cè)直到整個(gè)車身的涂布軌跡完成，若搜索不到加強(qiáng)劑涂布（涂布中斷），則軟件提示報(bào)警，由生產(chǎn)管理人員進(jìn)行處理。

圖6 加強(qiáng)劑涂布的視覺(jué)檢查

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在加強(qiáng)劑涂布上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)涂布與檢測(cè)，相較于人工涂布檢查的方式異常檢出率可達(dá)到100%，徹底杜絕涂布不良流出。涂布檢測(cè)工時(shí)下降8 s/臺(tái)，削減有害工位2 個(gè)，單臺(tái)產(chǎn)品車成本下降9.01 元。

3.3 玻璃密封膠膠型視覺(jué)檢查

玻璃密封膠是涂布在玻璃邊緣上，在給汽車安裝玻璃時(shí)，用以粘合玻璃和車身使之密封，玻璃密封膠的膠型對(duì)涂布質(zhì)量有較大影響，因此需要控制玻璃膠的膠型，主要體現(xiàn)在玻璃膠的形狀是否滿足膠寬8 mm(可略微浮動(dòng))，高度12～13 mm，涂布是否均勻，是否存在斷膠等，及時(shí)檢測(cè)出涂布不良可有效減少不良品的流出。

由于玻璃密封膠的膠型特點(diǎn)體現(xiàn)在立體結(jié)構(gòu)上，一般的2D 拍照無(wú)法檢測(cè)出3D 特征，因此使用3D 激光三角法視覺(jué)檢測(cè)解決此課題，如圖7 所示。檢測(cè)流程如圖8 所示。

圖7 玻璃膠膠型3D檢查的原理示意

由涂膠機(jī)器人攜帶高速視覺(jué)相機(jī)及激光傳感器組成膠型檢查系統(tǒng)，如圖9 所示。借助高速視覺(jué)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)隨行高速拍照檢查，借助激光掃描膠型，為視覺(jué)處理圖片創(chuàng)造了光場(chǎng)條件，借助視覺(jué)測(cè)量技術(shù)獲得膠型照片中膠型的寬度信息，通過(guò)計(jì)算激光反射時(shí)間，獲得膠型高度信息，寬度和高度信息整合后與標(biāo)準(zhǔn)膠型數(shù)據(jù)對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢查，如圖10 所示。

圖8 玻璃密封膠膠型視覺(jué)檢查流程

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在玻璃密封膠涂布膠型的檢查相較于人工檢查，膠型異常檢出率提高到100%，膠型的寬度及高度信息依靠視覺(jué)檢測(cè)能夠?qū)?shù)據(jù)精確到0.1 mm，明顯提升品質(zhì)控制能力，膠型檢測(cè)工時(shí)下降6 s/臺(tái)，同時(shí)單臺(tái)產(chǎn)品車成本下降2.58元。

4 視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展方向與應(yīng)用淺析

4.1 3D測(cè)量與多點(diǎn)檢測(cè)

在汽車制造行業(yè)或其他制造業(yè)，機(jī)器視覺(jué)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢查已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[10]，3D 視覺(jué)系統(tǒng)可以大量識(shí)別隨機(jī)放置內(nèi)飾件、外飾件等，3D 成像更接近真實(shí)物體的形狀，可用來(lái)測(cè)量工件凹槽的深度等，如圖11 所示。

圖11 3D測(cè)量與多點(diǎn)檢測(cè)

總裝車間內(nèi)，整車車身的總裝工程包括電裝、內(nèi)裝、底盤、外裝四大類，每類都涉及到大量的裝配，零件數(shù)量多，裝配要求不同，若將3D 檢查和多點(diǎn)測(cè)量應(yīng)用至整車車身的質(zhì)檢，可以檢查零件的規(guī)格是否正確、裝配的基準(zhǔn)是否符合要求、防盜標(biāo)簽的字符是否準(zhǔn)確、螺栓的緊固是否標(biāo)識(shí)等項(xiàng)目。依據(jù)現(xiàn)有的視覺(jué)檢查技術(shù)，由機(jī)器人攜帶視覺(jué)相機(jī)，4 臺(tái)機(jī)器人分布在車體四周，對(duì)各種類型和不同位置的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拍照，并由高速計(jì)算機(jī)快速比對(duì)檢查基準(zhǔn)，以基準(zhǔn)進(jìn)行判斷，如圖12 所示。同時(shí)可保存檢測(cè)圖形，用于查詢和追溯，在發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢的案例中可以看到未來(lái)整車質(zhì)檢的身影。

4.2 穩(wěn)健視覺(jué)算法與深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)今的視覺(jué)算法還存在較大的進(jìn)步空間，在復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，視覺(jué)算法的效率不足，同時(shí)受到環(huán)境影響，準(zhǔn)確性和魯棒性下降[11]，抗環(huán)境光干擾的能力不足。除硬件的進(jìn)步之外，開發(fā)出穩(wěn)健的視覺(jué)算法同樣是一個(gè)重要方向。同時(shí)5G 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)為云計(jì)算提供了強(qiáng)大的視覺(jué)計(jì)算能力，良好的通訊基礎(chǔ)為在云中處理大量機(jī)器視覺(jué)數(shù)據(jù)提供了可能。車間每年生產(chǎn)24 萬(wàn)臺(tái)汽車，大量的生產(chǎn)案例，借用5G 網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算訓(xùn)練，視覺(jué)檢查的準(zhǔn)確性將大大提高，完全可以適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的個(gè)性化需求，年產(chǎn)量巨大的汽車制造工廠，就是深度學(xué)習(xí)模型中鮮活的數(shù)據(jù)庫(kù)。

例如汽車輪胎上具有多種信息，一般通過(guò)凸顯字符的形式標(biāo)識(shí)，包括輪胎的品牌、規(guī)格、尺寸、標(biāo)識(shí)等，以此判斷輪胎組裝時(shí)的完成度。當(dāng)輪胎上的點(diǎn)油標(biāo)識(shí)缺失或規(guī)格錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)造成品質(zhì)不良，同時(shí)輪胎的安裝和檢測(cè)都不易發(fā)現(xiàn)品質(zhì)不良點(diǎn)，若采用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)輪胎來(lái)件品質(zhì)進(jìn)行檢查，以此杜絕裝配的品質(zhì)隱患。如圖13 所示。如果視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)配合深度學(xué)習(xí)，大量的生產(chǎn)實(shí)例將為深度學(xué)習(xí)提供源源不斷的數(shù)據(jù)來(lái)源，機(jī)器將會(huì)以更高的效率和準(zhǔn)確性進(jìn)行處理，不僅工時(shí)會(huì)下降，檢測(cè)算法也會(huì)趨向最優(yōu)化。

圖13 輪胎的視覺(jué)質(zhì)檢

5 結(jié)束語(yǔ)

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在某車企的總裝車間得到了大量的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)視覺(jué)質(zhì)檢、加強(qiáng)劑涂布檢查、玻璃密封膠膠型檢查等，實(shí)現(xiàn)了檢查的自動(dòng)化，提高了人員效率，改善了作業(yè)環(huán)境，同樣隨著視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)在總裝車間會(huì)引進(jìn)更多的視覺(jué)技術(shù)，擴(kuò)大視覺(jué)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用。

在未來(lái)，可以預(yù)想到工智能的深度學(xué)習(xí)能夠使視覺(jué)檢查越來(lái)越準(zhǔn)確，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的價(jià)格會(huì)更加親民，通訊和計(jì)算能力的躍升幫助檢查的速度提升。汽車生產(chǎn)行業(yè)提出越來(lái)越多的需求，而視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，也一定能夠滿足這些需求。

原文標(biāo)題：某車企總裝車間視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

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