机器人柔性在线自动测量方法技术及应用

任永杰（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072）

机器人柔性在线自动测量方法技术及应用

任永杰（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072）

指出面向制造现场的在线自动化测量是当前精密测量技术研究的一个重要方向，也是现代制造技术发展过程中不可或缺的重要组成部分。利用当前工业机器人性能（稳定性、可操作性、定位精度）优势，将工业机器人技术引入到测量领域，和视觉测量、精密测试理论相结合，提出了一种全新的柔性在线测量新方法，并研制了测量设备（柔性在线视觉检测站），旨在发展面向多品种混流共线流水线制造的在线测量方法和装备，解决汽车制造等主流产业中急需的柔性在线测量问题。

机器人柔性在线自动测量现代制造技术

面向制造现场的在线自动化测量是当前精密测量技术研究的一个重要方向，也是现代制造技术发展过程中不可或缺的重要组成部分。现代先进制造愈加关注对制造过程的控制，采用先进的在线测量手段，对制造过程进行严格、甚至是100%的测量和监控，以确保工艺过程的稳定、可控、可预测。对于大批量、复杂、多工序的流水线制造，在线自动测量与控制更是决定制造水平的关键技术之一。

课题组一直结合国家先进制造领域内的重点产业规划，研究开发新型在线测量方法及其测量设备，前期成功研发了基于计算机视觉理论的在线测量方法和技术设备，解决了常规的单品种、大批量流水线制造过程中的在线测量问题。但现阶段，多品种、高效率的混流共线流水线制造模式，因其快速的产品制造应变能力、大幅度节省投资而获得空前重视，由此对柔性在线测量提出了新需求：高度柔性、工艺匹配性和自动化程度。课题组较为准确地把握了这一技术发展动态，合理而充分地利用了当前工业机器人性能（稳定性、可操作性、定位精度）获得大幅度提升的技术成果，将工业机器人技术引入到测量领域，和视觉测量、精密测试理论相结合，提出了一种全新的柔性在线测量新方法，并研制了测量设备（柔性在线视觉检测站），旨在发展面向多品种混流共线流水线制造的在线测量方法和装备，解决汽车制造等主流产业中急需的柔性在线测量问题。

解决上述实际问题可以采用如下两个方案：

①采用固定式测量方式，但针对每一个外形尺寸变化的产品对应一整套视觉传感器，不同的产品启动不同的视觉传感器，同时对于内部测量的需要，设计长工作距离的视觉传感器。这种解决方案可以满足产品变化类型较少的情况，但是，多套传感器的应用大大增加了检测系统的成本，同时也降低了系统的可靠性，而且面对产品变化类型较多的情况时，现场条件使得这种方案往往不能够实现。另外，长工作距离的视觉传感器往往带来安装空间的增加、测量精度的降低，甚至测量结果的不可靠。

②基于灵活、可控的运动部件实现柔性现场测量。近年来，工业机器人的性能大幅度地提高，尤其运动定位精度已经满足测量应用的需要，集成电路及工业控制器的应用使其具有很高的可靠性，完全可以应用于工业现场，同时在高可靠性的情况下其运动速度也有了明显的提高，可以提高测量速度，满足现代工业生产节拍的需要。采用工业机器人结合视觉传感器不仅可以实现非接触、高精度、快速、柔性、可靠的在线测量，而且利用工业机器人灵活性，可以实现传感器近距离的测量，提高测量精度。利用工业机器人可编程的特性，可以实现多种型号产品的柔性测量，同时，增加一种新产品的检测，只需简单校准和编程即可实现，所以，测量产品型号越多其成本也就越低。工业机器人的高可靠性及单个传感器的应用,也增加了测量系统的可靠性。

目前，基于工业机器人的视觉检测技术已经成为国外大公司研究的热点，而且，各大汽车生产厂家也都把工业机器人柔性视觉检测定为今后在线检测的应用趋势。美国Perceptron公司开发的AutoGuide（RobotGuidance System，RGS）及Flexible AutoGange System，基于ABB、KUKA、FANUC、Staubli等公司的工业机器人实现了汽车车身的在线柔性检测、挡风玻璃的自动安装、轿车车门的自动安装、激光焊缝的检测等等，已应用于BWM、Daim lerChrysler、GM等国际著名汽车生产厂家。美国QMC公司开发的Flexible Measurement System（FMS）采用KUKAM系列工业机器人和激光视觉检测技术实现了卡车底盘、轿车车门、金属龙门架的几何尺寸的测量，在全世界已有大约200套在应用。瑞士的ABB公司也在开发基于工业机器人的柔性视觉测量系统。加拿大的LMI公司开发了专门应用于工业机器人测量的视觉传感器SRS-100-3D。

本项目针对工业在线柔性检测技术的需要，结合工业机器人与视觉检测技术各自的优点，构建基于工业机器人柔性视觉检测系统。它改变了视觉检测应用领域中传统的传感器固定式方法，采用高可靠性、高灵活性、高精度、可编程的工业机器人，在应用技术开发、学术理论研究上都有很大的必要性和可行性。本项目可以实现工业生产中产品的100%在线柔性检测，实时监控产品生产过程，实现零废品生产。该项目打破了国外同类设备的技术垄断，具有完全自主知识产权，为国内相关企业大幅节省了成本。

课题组在原理发明基础上，开展了大量面向工程应用的研发工作，参考欧洲PSA标准，制定了柔性在线自动测量设备的体系结构、软件规范、测试标准、控制接口标准和工程安装调试规范，研制了性能稳定可靠、主要技术指标达到国际先进水平的测量设备系统，为柔性在线自动测量技术的大面积推广应用奠定了坚实基础。为全面监控制造状况，每条柔性混流生产线需要在多个工位上设置多个（3～6个）柔性测量站，按照国外报价，每个柔性测量站约合100万欧元（1 000多万人民币），投资巨大。在当前国内汽车工业正承接国际汽车产业转移的大背景下，每个汽车制造厂都拥有多条焊装生产线，柔性在线测量有着广阔而巨大的市场空间。

在国内一线的汽车制造厂（合资企业）中，包括柔性在线测量设备在内的高端制造装备，因为技术难度大、利润高，此前一直为国外产品所垄断。基于本发明技术开发的柔性在线测量设备产品，首次通过国际招标采购程序，进入国内主流汽车制造厂，开创了国产高端在线测量设备进入由国外产品垄断的汽车制造业的先例。近4年多的实际运行（作为在线测量设备，必须24小时不停机，不间断运行）表明，产品的性能指标和稳定性满足欧洲相关工业标准，达到了同类产品国际先进水平。已经和东风神龙、一汽大众等主流汽车厂建立了稳定的合作关系，提供柔性在线测量设备和技术服务，由此将积极促进国产汽车制造工艺的优化和产品改进升级，提升国内汽车工业的核心竞争力。

2007年在江淮汽车厂C926新型轿车焊装生产线上，采用基于2台KUKA工业机器人构建了柔性在线测量系统，实现了多车型的混线柔性测量，完全达到了合同规定的技术指标，测量结果为新生产线的调试、产品制造过程控制提供了实时数据支持。

东风神龙汽车X7项目（雪铁龙C5轿车）是法国PSA公司开拓中国市场的重点项目，为此在武汉新建了全球样板工厂（神龙2厂），其生产线规划标准高，质量控制严，技术难度大，对配套设备和供应商都有严格要求。为提升车身制造水平，新生产线上规划了柔性（激光）在线测量设备，是确保焊装工艺稳定性和产品质量的关键设备，为此东风神龙公司组织了全球招标采购，美国Perceptron公司、法国Edixia公司及本发明产品等参加竞标，本发明产品最终胜出。4年的运行结果表明，测量系统全面达到了合同规定的技术指标，工作状态稳定，数据质量高，使用灵活，功能全面，达到了国外同类产品先进水平。

2008年底，又通过国际竞标方式取得了为东风本田提供整套柔性测量系统的合同，测量设备已正式投入运行。作为一项先进的柔性在线测量手段，国内各汽车厂商在后续生产线规划中，将大量选用该设备，如一汽大众德成都3厂、上海大众安亭2厂、东风本田3厂、奇瑞大连工厂、东风神龙新生产线、一汽解放新生产线等。我们正积极沟通，直面国外竞争，争取把自主柔性在线测量技术设备全面推广，树立高端测量设备的国产品牌，为提高我国汽车制造水平和产品档次提供有效的检测手段和设备。■

2011-03-09