近年來, 隨著機器視覺的迅速發展, 機器視覺技術的快速性、精確性、智能化特性已廣泛應用到現代工業的各行各業中。機器視覺系統是一種非接觸式的光學傳感系統, 其同時集成軟硬件, 能夠自動地從所采集到的圖像中獲取信息或產生控制動作。簡言之, 就是用計算機模擬人眼的視覺功能, 從圖像或圖像序列中提取信息, 進行處理并加以理解, 最終用于檢測、測量和控制。典型的工業機器視覺系統使用攝像機采集被測目標的圖像信息, 然后將模擬圖像信息轉換為數字圖像信號傳送給上位機的數字圖像處理系統, 處理系統中會根據圖片的像素分布、亮度、標志點和顏色等信息, 運算出被測目標的位姿和形態等信息, 最后根據測試得到的信息控制驅動執行器進行響應的操作。
機器視覺在工業領域中的應用廣泛, 主要有三個功能:視覺測量、視覺引導和視覺檢測。視覺測量針對的是精度要求較高的一些零部件, 精度要求為毫米級甚至為微米級，使用人的肉眼無法完成必須使用機器完成, 如對高精度螺紋螺孔的尺寸需要通過機器視覺的方式進行測量, 保證連接的間隙和精度；視覺引導是要求機器視覺能夠快速準確的找到被測零件, 并確認其位置, 引導機器人機械臂準確抓取，如視覺引導隨機抓件, 通過掃描工具箱內隨機分布的零件得到三維圖像, 采用模式識別的方式, 在三維圖像中獲取機械臂抓取工件的最佳點, 引導抓取實現自動化生產; 視覺檢測是使用機器視覺系統檢測生產線上的產品有無質量問題, 對其美觀度、舒適度和使用性能進行檢測，是取代人工最多的環節。機器視覺極大的提高了工業生產中的柔性和自動化程度，并且能夠在危險作業環境中完成一些人工難以完成的工作, 在大批量的生產中極大地減少了人工的使用, 并提高和保證了生產的質量。
值得指出的是, 機器視覺技術在現代工業典型代表的汽車工業中的應用已十分廣泛, 本文也將以汽車制造業為例, 重點講述機器視覺技術在現代汽車制造中的典型應用。機器視覺技術在汽車制造業中的應用, 極大地提高了工藝的操作質量和效率, 降低了勞動強度。其已成功地應用于國內外許多汽車主機廠, 包括車輛及零部件自動檢測、零件三維定位、車身組裝/加工, 零件追溯等。機器視覺技術的應用已貫穿了整個汽車車身制造過程, 包括從初始原料質量檢測發展到汽車零部件100%在線測量, 再對制造過程中的焊接、涂膠、沖孔等工藝過程進行把控, 最后對車身總成、出廠的整車質量進行把關。
視覺測量
隨著視覺非接觸測量技術引入至車身質量監控環節, 逐漸發展了固定式在線測量站與機器人柔性在線測量站等在線測量系統, 可嚴格監控車身尺寸波動, 為生產工藝改進提供數據支持, 車身測量實現了離線測量至100%在線測量的轉變; 除傳統三坐標測量、激光在線測量之外, 藍光掃描測量、表面缺陷測量等視覺測量方法也逐漸成為汽車質量把控的重要手段, 這些測量方式可進行更加精細的測量, 可對車身基本特征尺寸、車體的裝配效果、缺陷等問題提供高效高精度的監控。目前, 多種監控測量手段互相結合, 可以實現車身從零件、部件, 以及整車的全程監控測量, 確保生產零件零缺陷、整車制造質量得到保障, 同時機器視覺的引入使得汽車生產更加智能, 不僅實現了車身尺寸的測量, 而且基于測量數據可以對汽車進行細致多樣的分析并自動產生報告, 實現實時報警。
激光在線測量
汽車白車身是轎車所有零部件的基本載體, 白車身的制造尺寸精度直接影響汽車車身外形、氣動性能, 以及制造成本等, 因此, 對尺寸控制機構的制造是提高車身質量的必要條件之一, 車身尺寸的先進檢測方法是控制汽車制造尺寸精度的關鍵手段。激光在線測量技術基于三角測量原理, 其利用線狀激光構造被測特征, 結合有效的照明, 獲得被測特征的表面信息, 相機拍攝特征圖像, 通過圖像處理技術得到被測特征在圖像上的二維(2D)坐標, 再通過三角測量模型將2D坐標轉換為傳感器坐標系下的三維(3D)空間坐標。在線測量技術根據不同的應用場景可分為固定式在線測量系統與機器人柔性在線測量系統，固定式在線測量系統包含多個測量傳感器, 每個傳感器的位置固定, 傳感器在各自的坐標系(傳感器坐標系)中進行測量, 得到被測點在傳感器坐標系下的坐標, 最后通過坐標系統一將被測點的測量結果系轉換至車身坐標系下, 從而完成測量。機器人柔性在線測量系統由多自由度的工業機器人與安裝在機器人末端關節的柔性傳感器組成。當機器人接收到測量信號的開始時, 根據預先計劃的測量路徑驅動視覺傳感器的運動, 并將測量點依次進入傳感器的測量區域, 由視覺傳感器和測量主機完成測量。機器人柔性在線測量系統較為靈活, 可以測量車身上機器人可以到達的特征, 固定式在線測量系統只能測量固定有限范圍, 適用于測量機器人無法到達的特征(如底板上的特征)。
藍光掃描測量
在汽車生產中, 形貌測量是產品質量控制中的重要部分。汽車車身外覆蓋件的形貌精度直接影響了汽車部件可裝配性和氣密性, 及時發現車身外覆蓋件的尺寸與形貌異常可以大大降低出廠產品的缺陷率, 對車身外覆蓋件的精密獲取還能反映沖壓工序中模具的工作狀態和壽命。
藍光掃描技術可獲得高密度的測量數據應對復雜曲面多變的形貌特征與曲率變化, 有效實現復雜曲面的精細化測量, 其掃描測量精度可以達到±0.02 mm, 在單幅0.5 m范圍內可以獲得上千萬個高密度點云數據。通過采用高精度拼接技術, 藍光掃描測量可以有效統一局部測量數據至全局坐標系下, 滿足大型構件測量范圍的要求, 與此同時, 通過結合機器人運動平臺, 可以提高測量效率與自動化水平, 實現無人干預工作, 基于這些特點, 可以對車身零部件及整車進行非常細致的質量評價, 包括表面形貌評價和局部特征評價。
表面質量檢測
汽車涂裝是汽車生產制造過程中一個重要的環節, 車身噴涂不僅可以提供外觀裝飾, 而且可以對車身表面進行保護。然而, 在實際的涂裝生產中, 由于涂裝車間環境的影響, 油漆的質量和涂裝工藝的不同, 使得涂膜的車體很容易產生不同類型的缺陷，比如雜質、噴涂污染等典型表面瑕疵, 如何準確地實現汽車表面涂裝質量自動化測量極其關鍵。
為提升效率、減少人工, 基于機器視覺的汽車表面質量測量已開始應用在汽車涂裝檢測領域。與傳統人工目視測量相比, 視覺表面質量測量采用全自動檢測, 具有極高的敏感度和大視野, 可高效、高精度、全方位的對汽車涂裝質量進行檢測, 最大限度的避免整車返工。
視覺引導
視覺引導技術結合了多種視覺檢測技術與機器人運動學原理, 旨在為工業現場的每臺機器人安裝“眼睛”。視覺引導系統將突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制, 使其能根據被操作工件的變化實時調整工作軌跡, 提升機器人智能水平, 促進生產效率, 提高生產質量, 比如通過引導機器人自動上下料和引導物流及輸送設備定位等。后來, 視覺引導技術逐漸滲透到汽車制造的全過程, 比如引導機器人進行最佳匹配安裝、精確制孔、焊縫引導及跟蹤、噴涂引導、風擋玻璃裝載引導等, 目前, 視覺引導技術在汽車制造過程中的應用越來越廣泛, 對汽車制造往智能化方向發展發揮著越來越重要的作用。
視覺引導抓取
汽車制造中的焊裝工藝主要是將各類零部件通過焊接、膠粘等連接工藝組裝成各類分總成, 再將各分總成裝配成一個白車身總成。車身車間的上件模式主要分為人工上件, 超高精度料箱上件, 視覺引導抓取上件。視覺引導抓取方法將機器人與視覺測量相結合, 突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制, 使其能根據被操作工件的位置變化實時調整其工作軌跡, 準確抓取工件, 直接提升整個車身制造過程的自動化效率。
視覺引導抓取方法中, 需要在機器人上分別集成測距傳感器與視覺傳感器并標定, 抓取時首先讀取測距儀數值實時感知零件與機器人相對位置, 引導機器人接近料箱; 其次通過視覺傳感器對料箱內配件拍照, 結合零件自身特征(例如孔、角點等)的三維信息, 實現零件相對于初始狀態的6自由度(3方向位置及3方向旋轉角度)精確定位, 繼而計算工件位置及角度的偏移, 反饋修正取件機器人的抓取軌跡。
視覺引導裝配
基于視覺引導的機器人自動裝配已成為車身裝配的主流發展方向, 其將機器視覺技術與工業機器人結合起來, 通過視覺引導機器人, 實現汽車配件高精度安裝, 極大地提高了環境適應能力以及智能化程度。在機器人裝配過程中, 只有考慮到視覺導引和定位技術的裝配要求, 才能充分發揮技術優勢, 提高機器人抓取和放置的精度。
視覺引導裝配與視覺引導抓取不同, 其需要高精度保證配件與車身相對位姿的一致性, 故視覺引導裝配系統需要配置多個激光視覺傳感器。
視覺引導加工
視覺引導加工是指利用視覺測量技術測量每臺車的特定區域尺寸信息, 并根據其實際狀態引導機器人進行精確切割、制孔、打磨等。激光加工技術具有先進、快速、靈活, 以及準確的特點, 如激光焊接、激光切割等技術在汽車制造中應用越來越廣泛, 將機器人、激光加工技術, 以及機器視覺技術結合在一起可以充分利用各自的優勢, 實現自動化的高精度加工。
視覺檢測
如今的產品生產、檢測與機器視覺緊密相關，通過機器視覺檢測還可以對產品進行制造工藝檢測、自動化跟蹤、追溯與控制等。其中具體包括通過光學字符識別(OCR)技術獲取車身零件編碼以保證零件在整個制造過程中的可追溯性, 通過識別零件的存在或缺失以保證部件裝配的完整性, 以及通過視覺技術識別產品表面缺陷或加工工具是否存在缺陷以保證生產質量。
制造工藝檢測
車身制造過程中大量使用了焊接、膠粘等連接工藝, 膠粘工藝可以起到增強結構、緊固隔振、密封保護等作用。涂膠環節由于其工作環境惡劣、工作強度高、運動精度高, 以及穩定性好, 涂膠工藝逐漸由手工涂膠改為機器人涂膠, 涂膠自動化已逐漸成為一種趨勢。
當前基于機器視覺實現自動化檢測的涂膠檢測工藝, 已經可以實現邊涂邊檢。涂膠檢測時, 提前將膠槍與視覺傳感器等檢測裝備同時固定在機器人上, 視覺傳感器工作視場調整至涂膠區域處, 視覺傳感器跟隨膠槍一起完成涂膠動作, 在此過程中, 視覺傳感器實時采集涂膠圖像供后續處理分析使用。之后, 通過圖像處理方法對采集到的膠條照片進行檢測與分析, 保證涂膠質量與涂膠的連續性。
焊接在結構件成形中扮演了非常重要的角色, 對焊后的焊縫進行拋磨是消除焊接材料內部應力, 生成光滑的焊接表面的關鍵技術。然而, 工業現場主要依靠人工通過肉眼觀察焊縫外觀, 勞動效率低且檢測會引入人眼誤差。視覺檢測的出現有助于實現機器人自主拋磨焊縫質量的評價, 其良好的穩定性、高效率等特性必將取代傳統的人工視覺探測方法。
焊縫余高以及熔寬是評價焊接質量的關鍵要素, 目前應用最廣泛的是線結構光視覺與工業機器人的組合, 線結構光視覺傳感器安裝在機器人上, 通過示教后的機器人跟蹤整條焊縫并用視覺傳感器拍攝焊縫信息。但由于焊接過程中的飛濺、弧光、甚至高溫等干擾因素的存在, 焊縫引導及焊縫跟蹤對視覺系統的防護功能提出很高的要求, 通過圖像處理算法對拍攝的圖片進行特征分析提取, 準確獲取焊縫余高以及熔寬。
在焊縫檢測過程中, 首先為機器人自動拋磨焊縫提供有關參數, 規劃機器人磨拋路徑, 帶動焊槍與視覺傳感器協同運動, 與此同時通過線結構光傳感器基于三角測量法計算得到相應位置的焊縫余高以及熔寬信息, 高速處理拍攝的圖像, 提取焊縫余高以及熔寬信息, 對焊接質量進行評價, 實現焊接過程的智能化和柔性化。但由于焊接過程中的外界干擾問題, 視覺傳感器需要增加防護功能, 滿足一定防護等級, 并能夠防飛濺和自我冷卻。
存在/缺失檢測
機器視覺同樣可應用于汽車零部件質量檢測、相關標志識別等, 其有助于提高生產效率、增強自動化程度以及提高作業過程的可靠性與可追溯性。具體應用包括類型識別與防錯, 例如頂蓋類型識別、橫梁、前蓋類型防錯; 存在/缺失檢測以保證零件的完整性, 例如螺柱完整性檢測; 視覺讀碼以保證零件在整個制造過程中或整個生命周期內的可追溯性。
在汽車制造中, 視覺讀碼可以實現零件缺失追蹤、缺陷行為追蹤、裝配錯誤行為證明等多種功能。例如輪胎企業對每個輪胎做追溯管理都需要使用硫化標簽, 并且進行全面的跟蹤, 主要的方法是在輪胎半徑內的任意范圍內粘貼一維標簽條形碼, 輪胎的可追溯性是企業內部制造執行系統(MES)的重要組成部分, 客戶要求產品能在運動過程中以任意角度準確地讀取條碼，而基于高性能的一維視覺傳感器可以高速采集標簽條碼, 并配合圖像處理算法進行標簽碼的識別。
