汽車白車身機器視覺檢測系統論文

摘 要:隨着社會技術的不斷進步,在相關的領域內,人類的視覺已越來越不能滿足生產的需要。自動化技術和計算機技術的發展,爲機器視覺的產生提供了技術基礎.

關鍵詞:機器視覺; 機器檢測; 三維測量

一、緒論

起步於20世紀80年代的機器視覺系統,是用機器來實現人的視覺功能,形成對世界物體的認識.由於它的精度高、速度快、重複性好和無疲勞等特點,使得它可以很好地提高產品質量和自動化程度,在一些不適合人工操作的或高危險領域內,起着不可替代的作用.

二、白車身機器視覺檢測系統的現狀

白車身檢測分爲按頻次抽檢和全部檢測;按照檢測手段,可分爲人工檢測和其它直接檢測工具, 或者是對白車身的關鍵質量因素採用機器視覺檢測系統檢測,左右門洞、前後風窗口爲其主要檢測部位。國外在80 年代就對轎車的白車身採取機器視覺檢測對其質量進行監控, 並且廣泛應用。而在我國地區,隨着製造業的發展,製造技術的快速提高, 相關應用軟件自主開發以及相應的工藝製造水平的快速提高, 在2000 年後採用機器視覺檢測技術對白車身的關鍵質量因素進行檢測, 如華晨中華的轎車生產線、長春第一汽車製造廠的大衆捷達生產線以及解放卡車生產線等。

三、白車身機器視覺檢測系統的必要性

車身製造成型是在汽車生產製造中是關鍵的工序之一, 對車身的各項指標都有嚴格的要求,對車身進行檢測是必不可少的環節。在以前,傳統的利用三座標測量機來完成對車身的檢測, 由於其複雜的操作方法,工作進展速度慢, 工作週期較長,因此只能靠抽檢來完成。機器視覺檢測方法就完全能克服這些缺點。視覺檢測完全就是一種新型的檢測手段, 高精度、大量程、非接觸、直觀強、速度快。在當前,機器視覺檢測系統已經被廣泛地應用於機器人研發、產品質檢、振動測量、工業探傷以及生理分析等衆多的科學技術領域。率先將視覺檢測應用於車身檢測的美國通用汽車公司,實現了對車身的全部在線檢測, 並且能夠及時的回饋產品的誤差信息, 視覺檢測系統不僅僅是提高了產品的合格率,而且也能夠爲改進工藝, 減小誤差提供了一個有效的控制手段,並且也符合現代製造的相關質量工程要求。

圖1 視覺檢測系統

四、白車身機器視覺檢測系統的組成

在通常情況下, 擋風玻璃窗的大小、安裝車門處棱邊位置、相應的定位孔位置以及各分總成的位置關係等是車身製造的關鍵尺寸。因此視覺傳感器系統主要分佈在這些特殊的位置附近, 測量其相應的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。圖2所示即爲用於車身視覺檢測系統的框架圖。這套系統採用的是固定式測量系統。在車身定位後, 置於此框架區域內, 框架是由縱橫分佈的金屬柱以及杆 構成的,也以可根據需要實現在框架上靈活安裝視覺傳感器的要求。這套系統爲多個傳感器相“融合”而構成的, 一共有33個視覺傳感器, 3個定位傳感器, 30個實測傳感器,在這當中包括了雙目立體視覺傳感器、輪廓傳感器等等衆多類型的配套傳感器。

圖2 IVECO車身視覺檢測系統框

車身視覺檢測系統的工作過程爲: 由汽車生產線上運送車身到預定擺放位的粗略位置, 待測位置的準確定位是由專用的控制系統來完成。傳感器按相關要求的程序進行工作, 計算機根據傳感器傳輸的數據採集檢測點的圖像並進行相應的處理, 計算值與標準值進行對比, 得出這套車體的檢測結果。整個測量過程結束, 車身被運回生產線進行下一步生產。

五、視覺檢測系統的空間座標系

(一)標準座標系

在本套檢測系統中, 由於視覺傳感器測量的對像是特定的線棱、特定平面或在特定區域上的點, 所以需要通過全局來進行標定,來確定視覺傳感器的準確空間位置,也就是建立視覺傳感器的三維空間座標系。同時等待監測的車體自身也有自己的一套定位座標系,這裏需要做的就是將這些不同的座標系統一成一個完整的標準座標系。在本篇文章中闡述的是採用兩臺經緯儀建立的光學三座標系統作爲機器視覺檢測的標準座標系。兩臺經緯儀組成一個空間點三維座標移動測量設備, 其工作原理如下圖所示。

圖3 經緯儀組成移動座標測量設備

經緯儀是精密的測量角度的儀器, 它在自身的座標體系中測量空間點或平面的水平角和豎直角, 記兩臺經緯儀的座標系分別爲。 空間被測點P在中的座標爲 在中的座標爲,經緯儀測得P點的水平角和豎直角分別爲, 由空間角度相互之間的關係就可知:

設座標系到座標系之間的變換關係

分別爲座標系之間的旋轉矩陣和平移矩陣。

這套經緯儀測量設備在使用之前,R、T就已嚴格標定出, 在進行測量的時侯, 由已知的R、T聯立式(1)(2)(3)就可以準確的測量出P點在座標系中的三維座標。雙經緯儀建立標準座標系是切實可行的。

(二)座標系的統一

爲了得到被測點在車身定位座標系車體自身的座標系中的準確座標, 這就需要以標準座標系爲中介, 把由攝像機傳感器得到的.被測點在座標系中的座標轉換到被測點在車體定位座標系當中。因此這就需要把攝像機的座標系、車身定位座標系與標準座標系統一起來,這種方法就被稱爲中介座標統一法。

爲了完成以上所述的工作,需要通過局部標定以及全局標定的來實現。局部標定就是利用透鏡透視原理來進行的, 標定出從現實座標系到攝像機的三維坐 標系的12個全部外部參數。這個根據的是兩條定理:第 一、不在同一直線的三點能夠確定出兩座標系的轉換矩陣;第二、一個座標系中的三個已知點在已標定好的內部參數的攝像機成像,就可以求出攝像機的外部參數即旋轉矩陣和平移矩陣。中介座標系的方案來確定全局標定, 如下圖所表示的。通過採用靶標的方式,就可以來求出定位傳感器、雙目立體視覺傳感器和輪廓傳感器所對應的定位座標系和傳感器座標系到相應的經緯儀座標系的轉換矩陣, 從而就可以完成整個座標系的統一。

在整個系統標定結束後, 整個車身視覺檢測系統就已經建立起來了, 可以用來檢測被測車身, 並給出被測點在車身自身座標系中的相應的空間三座標。

圖4 中介座標系法實現全局標定

六、結語

在汽車製造中,車身的製作精度是汽車生產質量的關鍵環節。汽車白車身機器檢測系統,由於其系統的科學性、操作方便、省時、省力、省心, 精度高,在實際實踐工作中,能夠完全車身檢測的要求,完全滿足實用的要求。

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