机器人激光检测系统的运用

机器人激光检测系统的运用

在汽车工业中，白车身总成的车身功能尺寸是衡量汽车产品质量的关键参数，必须严格控制。随着工业机器人在汽车制造中的成功使用，使得机器人和激光检测技术的结合构建了一个机器人激光检测系统。

对于汽车白车身这样的大批量制造的大型产品，怎样有效地控制白车身的车身尺寸从而满足顾客的要求，一直是奇瑞公司白车身质量控制的追求。自从奇瑞公司从又快又好的战略转变到又好又快的发展战略,在有效地控制了白车身强度质量同时,车身功能尺寸质量的控制被提到了空前的高度上,而机器人激光检测技术的运用为奇瑞公司白车身尺寸质量控制提供了保证。

检测技术的发展

从检具的运用，到三坐标测量机的应用，到目前机器人激光检测设备的开发和应用，车身尺寸检测技术就呈现出非接触、高智能、高精度和高效率的发展趋势。

自以光学坐标测量机为代表的激光测量技术的出现，使得汽车车身制造尺寸的100%在线检测成为现实，KUKA机器人维修，而机器人激光在线检测技术就能使车身焊装过程中各种故障的检测更为有效、快捷和准确，而且还为监控工艺装备的工作状况、预报其可能故障提供了实现基础。

机器人激光检测系统工作原理

按照激光检测系统承载方式可以分为固定式激光检测系统和机器人激光检测系统。固定式激光检测系统和机器人检测系统原理大致相同,固定式最大的优势是可以检测到机器人手臂无法达到的部位。下面，将着重介绍机器人激光检测系统。

1.机器人激光检测系统组成部分

机器人激光检测系统由3部分组成，即一个机器人、一套激光检测系统及一个终端数据处理计算机。1为机器人工作示意。

1机器人正在工作

激光检测系统为一个非接触式三维视觉传感器装置组成，它由2个在45°方向对称配置的激光传感器和一个位于中心线上的CCD摄像机组成。激光传感器用来检测被测工件型面上某一点在空间的位置；摄像机用于确定工件型面上1个孔的大小和形状（见2）。一般来说，3点即可确定1个圆孔,但是在检测时为了保证孔的大小形状可以多选取一些点,这里我们可以选取30点。对于不规则的物体通过寻找中心,特征边或角从而确定物体的形状。

2左激光检测示意

2右激光检测示意

终端数据处理系统由PC计算机、交换机及数据处理软件组成。对于传输回来的白车身测点坐标数据,使用VECTOR数据处理软件进行车身坐标偏差处理。3为终端数据处理系统。

3终端数据处理系统

2.白车身测点坐标的计算

当机器人开始测量后，按预先设定的测量路径带动视觉传感器运动，安川机器人维修，依次使测点进入到传感器的测量区域内，由视觉传感器和测量主机完成对圆孔边缘测量。

4机器人坐标测量系统

如4所示，机器人维修，机器人激光检测系统中存在4个坐标系。其中包括，与机器人相关的2个坐标系，安装机器人时确定的基坐标系统Ob－XbYbZb和机器人末端关节坐标系Oh－XhYhZh，还有车身坐标系Ow－XwYwZw和视觉传感器测量坐标系Oc－XcYcZc。测量的结果即为测点P在车身坐标Ow－XwYwZw下的坐标PW。从4可以看出

PW=Z×B×X×PC(1)

式中：PC为被测点P在视觉传感器测量坐标系下的坐标值；X为机器人手眼关系，即机器人末端关节坐标系与视觉传感器测量坐标系之间的变换关系；B为机器人末端关节坐标系与机器人基坐标系之间的坐标变换关系；Z为机器人基坐标系与白车身坐标系之间的位置变换关系。

式(1)中，由于视觉传感器与机器人末端关节刚性连接，测量过程中两者相对位置不变，所以X在测量中恒定；同样，机器人基坐标系相对于白车身坐标系的位置关系也是不变的，即值恒定，因此，通过现场标定可以将X和Z在测量前计算出。B可以由机器人的正向运动学模型及各个关节变量值获得。通过以上分析，只要得到检测点在视觉探头传感器测量坐标系下的坐标PC，根据式(1)，即可计算出P点在车身坐标系下的坐标PW。

3.现场标定

目前，对摄像机和激光视觉传感器的标定进行了大量的研究，并建立了多种成熟的算法,这里我们采用分步求取获得。

5分步法标定示意

假如机器人分别从不同角度对某一点检测2次，见5。则存在姿态1为

1/Z×PW1=B1×X×PCl(2)

姿态2为

1/Z×PW2=B2×X×PC2(3)

式中：PW1和PW2为同一个检测点在车身坐标系下的坐标。因此PW1＝PW2，即

B1×X×PCl=B2×X×PC2(4)

式中：B1和B2根据机器人的运动模型是已知的；PCl和PC2是视觉传感器的测量结果。显然，如果控制点数大于3个，且控制点不在同一条直线上，X就可以计算出，再根据式(1)，可计算出Z。

机器人激光检测系统运用

下面介绍的机器人检测主要侧重于白车身，四门两盖的检测同样可以使用。不同之处在于两者载具，前者使用滑撬，后者需使用专用的吊架。

机器人激光检测系统实际运用中涉及到测点选择,检测用于比较的白车身标准件选用，机器人激光检测系统的校正功能及检测系统的柔性化设计，以下将从以下方面一一阐述。

1.白车身测点的布置原则

在车身生产过程中测量的目的是确定过程控制和不断改进，面向车身工艺过程稳定性控制、功能控制以及焊接过程中的故障诊断。按照测点功能的不同，可以将常见的车身测点分成3类：主要定位点检测点、关键产品特征检测点和关键控制特征检测点。

（1）主要定位点检测点布置。车身的生产过程中使用大量工装夹具来完成对板件的定位并夹紧，确保板件在每次焊接时空间状态保持一致，以保证车身尺寸。但是在生产过程中，定位销及定位块的磨损及松动导致定位基准发生变化，影响车身的尺寸。

主要定位检测点能够显著反映其定位状态，这些点的设立将有助于对由于定位或基准位置发生偏移而产生的制造偏差进行识别和诊断,例如:前/后纵梁定位孔直接影响整个车身骨架的尺寸。