用于白车身尺寸检测的摆动式测量头机器人在线测量系统

摘要

用于白车身尺寸检测的摆动式测量头机器人在线测量系统，属于光学测量、机械工程和车辆工程技术领域。包括两个摆动式测量头、两台六轴机器人、两个机器人控制柜和一个系统控制柜。本发明基于线激光扫描三维视觉测量技术，两台机器人各自携带摆动式测量头运动到指定测量位置，线激光投射器向白车身装配特征投射线激光，单轴转台带动线激光投射器和单目摄像机摆动，实现扫描。单目摄像机采集到一组光刀图像后，通过光刀点云提取、三角测量原理、点云整合和装配特征参数计算，实现对白车身装配特征的在线测量。本发明测量时摆动式测量头位姿自由、受环境光照影响小、无机器人扫描误差、稳定性高，为白车身尺寸检测提供了实时可靠的测量数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于白车身尺寸检测的摆动式测量头机器人在线测量系统， 特别是一种基于线激光扫描三维视觉测量技术，采用摆动式测量头，对白车身装 配特征实现在线测量的测量系统。属于光学测量、机械工程和车辆工程技术领域。

背景技术

轿车白车身的焊接制造过程由底板、侧围、总拼等多个分总成多层次构成。 焊接过程中，工装定位不稳定、焊接零件变形、冲压零件尺寸偏差、设计公差累 积以及焊接操作误差等均可能造成白车身尺寸偏差，导致后续整车装配困难，影 响整车外观及配合性能。因此必须运用白车身尺寸在线检测系统，通过对白车身 上的孔、槽、修边、折边等能反映出白车身焊装误差的特征进行实时测量，控制 焊装误差在各分总成间的累积并及时反馈校正，从而保障白车身焊接制造的质 量。

现有的白车身尺寸在线检测系统，按照其测量原理和方式，可以分为接触式 和非接触式两大类。

接触式测量系统主要包括测量样架、多关节测量机及三坐标测量机。其中测 量样架上的零件定位、夹紧及测量头装置只能针对固定车身零件，柔性差，往往 只作为在线检测系统补充设备；多关节测量机利用多自由度机械臂结构，采用人 工操作移动测量头对车身零件进行测量，柔性相对较高，但需要人工参与，测量 速度较慢，很少用于在线检测；三坐标测量机可实现编程测量，柔性高，但体积 过于庞大，测量速度慢，对环境温度及振动控制要求高，因此也很少应用于在线 检测。

非接触式测量系统运用机器视觉技术，主要有检测隧道系统和机器人系统两 大类。检测隧道系统将一组传感器按测点位置分布固定在支架上，实现对所有测 点的同时测量，测量速度很快，但由于传感器位置固定，难以适应多车型柔性生 产线的检测，且传感器数量多，成本高。机器人测量系统将传感器固定在机器人 末端，构成一个可运动的检测单元。相比之下，机器人测量系统柔性高、传感器 数量少，应用最为广泛。在已有技术中，Perceptron公司运用二维影像结合激光 测距的方法，通过对测点拍摄一幅打光图像及一幅光刀图像，综合计算测点位置 参数。该方法中若光照量或光照角度不合适，拍摄特征将缺失或偏移；若摄像机 成像面与测点所在面的夹角过大，图像投影成像变形将变大，例如圆孔特征将变 成椭圆，导致无法准确计算，甚至无法识别该圆孔特征。吴斌在“结构光传感器 在柔性视觉测量系统中的应用研究”（光电子·激光，2008，19(10)：1309-1311） 一文中提出的测量方法仅需一幅与圆孔相交的光刀图像，通过几何代换近似求解 圆孔位置参数。但该方法对摄像机位姿的要求更为严格，且数据量过少，仅限于 圆孔及棱边的测量。Perceptron公司提出的Helix自动三维扫描方法，通过机器 人小范围局部运动带动传感器实现对测点的线激光扫描测量。I.Kovac在其论文 “Flexible Inspection Systems in the Body-In-White Manufacturing”（Proceedings of  Robot Sensing,Austria,May24-25,2004:41-48）中提到上述方法中机器人运动的 绝对精度较低，且小范围运动轨迹难以精确控制，因此上述方法易在线激光扫描 过程中引入机器人运动误差，不利于检测系统的精度及稳定性。

发明内容

为克服已有技术中测量头位姿约束大、受环境光照影响大、引入机器人运动 误差等缺陷和不足，本发明提出了一种全新的用于白车身尺寸检测的摆动式测量 头机器人在线测量系统。采用线激光扫描三维视觉测量技术，由测量头自行摆动 完成对白车身装配特征的扫描，实现对白车身装配特征快速、精密、稳定的在线 测量。测量过程中测量头位姿自由、受环境光照影响小、无机器人扫描误差、稳 定性高，为白车身尺寸检测提供了实时可靠的测量数据。

本发明是通过下述技术方案实现的。本发明包括两个摆动式测量头、两台六 轴机器人、两个机器人控制柜、一个系统控制柜、两个测量基座和一个白车身定 位工装基座。其中，两个摆动式测量头均由线激光投射器、单目摄像机、单轴转 台、限位块、两个光电限位器、安装盒、外保护罩和连接块组成。外保护罩是一 个由底板、顶板、后板及两块侧板构成的金属壳体。安装盒是一个安装线激光投 射器和单目摄像机的多面体金属盒，其前端在线激光投射器和单目摄像机安装处 分别开有透光孔。线激光投射器和单目摄像机分别通过支架与安装盒的顶板螺栓 固接。线激光投射器的光平面与外保护罩的底板垂直，线激光投射器的光平面与 单目摄像机的光轴线之间的夹角为θ。单轴转台的顶端通过连接块与安装盒的底 板螺栓固接。单轴转台的底部固定在外保护罩的底板上。单轴转台的转动部分可 在平行于外保护罩底板的平面内绕转动部分轴线作360度匀速转动。限位块穿过 连接块，固定在安装盒底板的螺孔中。

两个测量基座分别置于白车身定位工装基座的两侧。两台六轴机器人分别固 定在两个测量基座上，并分别由两个机器人控制柜独立控制。两个摆动式测量头 的外保护罩后板分别与两台六轴机器人末端螺栓固接。两台六轴机器人分别与各 自的机器人控制柜电连接

系统控制柜包括可编程控制器PLC、工控机、DIO模块、交换机、A电机驱 动器和B电机驱动器。工控机通过串口与PLC电连接。工控机通过网线与交换 机电连接，交换机通过网线分别与两个摆动式测量头中的单目摄像机电连接。 PLC通过A电机驱动器和B电机驱动器分别与两个摆动式测量头中的单轴转台 电连接。PLC通过CCLINK网络模块与总控电连接。总控分别通过两个机器人 控制柜与DIO模块电连接。

两个摆动式测量头各自测量时，对应的单目摄像机开启，自动设定曝光、增 益、图像采集数量等拍摄参数，并等待拍摄触发信号。线激光投射器向白车身装 配特征投射线激光，在装配特征表面形成经装配特征形貌调制的线激光光刀。单 轴转台逆时针摆动，限位块触发一号光电限位器后，向单目摄像机发送拍摄触发 信号。单目摄像机接收到拍摄触发信号后，等时间间隔地采集一组光刀图像，图 像数量根据待测特征大小而变化，在20～35幅之间。图像采集完成后，单轴转台 反向摆回，限位块触发二号光电限位器后，单轴转台再次逆时针摆动回到零位。 单目摄像机采集的一组光刀图像经光刀点云提取、三角测量原理、点云整合和装 配特征参数计算，实现对白车身装配特征的在线测量。

两台六轴机器人在测量时分别独立执行各自机器人控制柜中储存的程序命 令，携带各自摆动式测量头运动到指定测量位置。

测量过程中系统控制流程如下：PLC通过CCLINK网络模块接收总控发出的 车型流水号信息，再通过串口传递到工控机。同时，工控机通过DIO模块接收 到总控发出的准备就绪信号后，工控机通过DIO模块分别发送开始走位信号给 两个机器人控制柜，分别独立控制两台六轴机器人开始走位。两台六轴机器人各 自运动到指定测量位置后，反馈对应的走位到位信号至工控机，工控机再通过 DIO模块分别发送对应的开始摆动信号给PLC，由PLC向对应的电机驱动器发 送摆动信号，驱动对应的单轴转台摆动。同时，工控机通过交换机控制对应单目 摄像机的开启及拍摄参数的设置，并将对应单目摄像机所拍摄的图像通过交换机 传回工控机处理。摆动过程中，当限位块触发二号光电限位器时，PLC向对应的 电机驱动器发送回零信号，控制对应单轴转台摆动至零位。同时，PLC通过DIO 模块反馈摆动到位信号至工控机，工控机通过DIO模块控制对应的六轴机器人 走向下一个测量位置。所有装配特征测量完成后，两台六轴机器人均复位到原点， 两个机器人控制柜均反馈复位到位信号至工控机，并反馈测量结束信号至总控， 整个测量过程结束。

本发明的有益效果：

本发明采用线激光扫描三维视觉测量技术，能对白车身上圆孔、螺纹孔、复 合孔槽、修边及折边等装配特征进行在线的非接触式测量；作为一种线激光扫描 测量技术，能在1.5秒内完成一个装配特征的测量，可获得30点以上的光刀点 云数据，数据量大，测量结果基本不受环境光照及测量头测量位姿的影响，稳定 性高；采用在测量头摆动过程中由光电限位器触发单目摄像机拍摄图像的图像采 集方式，不引入机器人运动误差，单个装配特征的测量重复精度在0.01mm以内， 极差在0.03mm以内；采用两台机器人联动的测量方式，互不干预,能在54秒内 完成覆盖整台白车身范围共26个装配特征的测量并输出测量结果，实现了对白 车身装配特征实时、精密、稳定的在线测量，为白车身尺寸检测提供了实时可靠 的测量数据。

附图说明

图1本发明摆动式测量头机器人在线测量系统俯视示意图

图2本发明摆动式测量头内部结构示意图

图3本发明摆动式测量头外保护罩结构示意图

图4本发明摆动式测量头剖面俯视示意图

图5本发明测量系统控制原理示意图

图中1第一摆动式测量头、2第二摆动式测量头、3第一六轴机器人、4第 二六轴机器人、5第一机器人控制柜、6第二机器人控制柜、7系统控制柜、8 第一测量基座、9第二测量基座、10白车身定位工装基座、11线激光投射器、 12单目摄像机、13单轴转台、14限位块、15一号光电限位器、16二号光电限 位器、17安装盒、18外保护罩、19连接块

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括第一摆动式测量头1、第 二摆动式测量头2、第一六轴机器人3、第二六轴机器人4、第一机器人控制柜5、 第二机器人控制柜6、系统控制柜7、第一测量基座8、第二测量基座9和白车 身定位工装基座10。其中，第一摆动式测量头1和第二摆动式测量头2均由线 激光投射器11、单目摄像机12、单轴转台13、限位块14、一号光电限位器15、 二号光电限位器16、安装盒17、外保护罩18和连接块19组成。外保护罩18 是一个由底板、顶板、后板及两块侧板构成的金属壳体。安装盒17是一个安装 线激光投射器11和单目摄像机12的多面体金属盒，其前端在线激光投射器11 和单目摄像机12安装处分别开有透光孔。线激光投射器11和单目摄像机12分 别通过支架与安装盒17的顶板螺栓固接。线激光投射器11的光平面与外保护罩 18的底板垂直，线激光投射器11的光平面与单目摄像机12的光轴线之间的夹 角θ为40-50度。单轴转台13采用丝路咖KRE04360型号，其分辨率为0.008 度，耐负载3kg。单轴转台13的顶端通过连接块19与安装盒17的底板螺栓固 接。单轴转台13的底部固定在外保护罩18的底板上。单轴转台13的转动部分 可在平行于外保护罩18底板的平面O-XY内绕转动部分轴线Z轴作360度匀速 转动。限位块14为一根长25-28mm的铁螺柱，穿过连接块19，固定在安装盒 17底板的螺孔中。单目摄像机12均采用型号为Basler acA1300-30gm的工业相 机，配以焦距为16mm的相机镜头。线激光投射器11均采用型号为Thorlabs  DL3148-025的激光二极管，配以型号为Thorlabs LJ1227L2的平凸柱透镜。

第一六轴机器人3固定在第一测量基座8上，由第一机器人控制柜5控制； 第二六轴机器人4固定在第二测量基座9上，由第二机器人控制柜6控制。第一 测量基座8和第二测量基座9分别位于白车身定位工装基座10的两侧。第一摆 动式测量头1和第二摆动式测量头2均通过各自的外保护罩18后板分别与第一 六轴机器人3的末端和第二六轴机器人4的末端螺栓固定连接。第一六轴机器人 3与第一机器人控制柜5电连接，第二六轴机器人4与第二机器人控制柜6电连 接。

系统控制柜7包括可编程控制器PLC、工控机、DIO模块、交换机、A电机 驱动器和B电机驱动器。工控机通过串口与PLC电连接。工控机通过网线与交 换机电连接，交换机通过网线分别与第一摆动式测量头1及第二摆动式测量头2 中的两个单目摄像机12电连接。PLC通过A电机驱动器和B电机驱动器分别与 第一摆动式测量头1和第二摆动式测量头2中的单轴转台13电连接。PLC通过 CCLINK网络模块与总控电连接。总控分别通过第一机器人控制柜5和第二机器 人控制柜6与DIO模块电连接。

测量时，待测的白车身固定在白车身定位工装基座10上。第一摆动式测量 头1或第二摆动式测量头2中对应的单目摄像机12开启，自动设定曝光、增益、 图像采集数量等拍摄参数，并等待拍摄触发信号。线激光投射器11向白车身装 配特征投射线激光，在装配特征表面形成经装配特征形貌调制的线激光光刀。单 轴转台13逆时针摆动，限位块14触发一号光电限位器15后，向单目摄像机12 发送拍摄触发信号。单目摄像机12接收到拍摄触发信号后，等时间间隔地采集 一组光刀图像，图像数量根据待测特征大小而变化，在20～35幅之间。图像采集 完成后，单轴转台13反向摆回，限位块14触发二号光电限位器16后，单轴转 台13再次逆时针摆动回到零位。单目摄像机12采集的一组光刀图像经光刀点云 提取、三角测量原理、点云整合和装配特征参数计算，实现对白车身装配特征的 在线测量。

第一六轴机器人3和第二六轴机器人4在测量时各自独立执行第一机器人控 制柜5和第二机器人控制柜6中储存的程序命令，携带第一摆动式测量头1和第 二摆动式测量头2运动到指定测量位置。

测量过程中系统控制流程如下：PLC通过CCLINK网络模块接收总控发出的 车型流水号信息，再通过串口传递到工控机。同时，工控机通过DIO模块接收 到总控发出的准备就绪信号后，工控机通过DIO模块分别发送开始走位信号给 第一机器人控制柜5和第二机器人控制柜6，分别独立控制第一六轴机器人3和 第二六轴机器人4开始走位。第一六轴机器人3或第二六轴机器人4运动到指定 测量位置后，反馈对应的走位到位信号至工控机，工控机再通过DIO模块分别 发送对应的开始摆动信号给PLC，由PLC向对应的电机驱动器发送摆动信号， 驱动对应的单轴转台13摆动。同时，工控机通过交换机控制对应单目摄像机12 的开启及拍摄参数的设置，并将对应单目摄像机12所拍摄的图像通过交换机传 回工控机处理。摆动过程中，当限位块14触发二号光电限位器16时，PLC向对 应的电机驱动器发送回零信号，控制对应单轴转台13摆动至零位。同时，PLC 通过DIO模块反馈摆动到位信号至工控机，工控机通过DIO模块控制对应的六 轴机器人走向下一个测量位置。所有装配特征测量完成后，第一六轴机器人3 和第二六轴机器人4均复位到原点，第一机器人控制柜5和第二机器人控制柜6 均反馈复位到位信号至工控机，并反馈测量结束信号至总控，整个测量过程结束。