视觉系统在喷涂机器人车身检测中的应用

张进 操金明 程林

摘 要：在车身内表面机器人自动喷涂工作站，增加VMT视觉系统，测量车身误差，并将车身误差作为偏移量，补偿到机器人的跟踪坐标系中，实现了车身误差的整体补偿，提高了车身喷涂质量的稳定性。同时，针对开门机有一定概率无法关严车门，视觉系统识别车门是否关严，消除了车门未关严对喷涂线下一道工序的不良影响。

关键词：工业机器人；喷涂；车身内表面；视觉；补偿

中图分类号：U462.2 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-290-03

Abstract： In order to measure car body position errors， a VMT vision system was newly added in a car body interior painting zone which painted automatically by robots. The stability of car body film quality was improved， after car position errors overall compensated， by offsetting robots tracking coordinates with car position errors. Meanwhile， car doors could not be completely closed by openers with a certain probability， after paint finished. The vision system identified whether doors closed or not， to eliminate the bad influence of unclosed doors in next paint process.

Keywords： industrial robots； paint； car body interior； vision； calibration

CLC NO.： U462.2 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-290-03

前言

近年来，汽车车身内表面人工喷涂，逐步被机器人的自动化喷涂所代替。在自动化的涂装车间，机器人打开车门和车盖，机器人喷涂车身内表面，然后关闭车门和车盖。不同于车身外表面喷涂，车身内表面不平整、形状复杂、空间狭小，喷涂调试难度大，离线编程[1]的使用过程中，需要更高的精度。

目前，视觉系统广泛应用于汽车工业的机器人运动补偿中，提高了工业机器人的作业精度，包括装配[2]、涂胶、焊接等，但视觉系统却很少应用于喷涂机器人。视觉系统被用于识别涂装车间工件类别[3，4]，却没有用于提高喷涂机器人作业精度。

本文在Fanuc公司的P700iA喷涂工作站基础上，增加VMT的视觉系统，识别车身定位误差，并补偿机器人运动轨迹。同时，识别车门是否关严，保证后续喷涂工艺的稳定性。

1 喷涂机器人视觉系统

1.1 喷涂机器人系统

机器人喷涂站，一般包含：机器人本体及其机器人控制柜、配有PLC的系统控制柜、一些外围输入输出设备、喷房系统的其它设备等。其中，外围输入输出设备包括：工件感应开关、输送链编码器、急停按钮、光栅、喷房门的感应开关等。喷房系统的其它设备包括：输送链、送排风、循环水、调漆间设备等。

Fanuc的P700iA车身内表面喷涂站，由4台P700iA喷涂机器人、4台P20iA开门机和2台P25iA开盖机组成，共10台机器人。P700iA喷涂机器人用于喷涂车身内表面，P20iA开门机用于打开和关闭4个车门，P25iA开盖机用于打开和关闭车身的前盖和后盖。

Fanuc喷涂机器人，具有输送链跟踪功能（Line Track）。当车体随输送链同步运动时，机器人根据输送链编码器脉冲跟踪车身喷涂。

1.2 视觉系统

本文将VMT视觉系统接入到Fanuc機器人车身内表面喷涂站中，VMT视觉控制柜与Fanuc系统控制柜采用总线（Profibus）通讯。

VMT视觉系统包括：视觉系统控制柜、6个相机。6个相机被依次安装在喷房顶部，视觉控制柜通过网线给相机供电和通讯。

1.3 视觉系统工作原理

车体（即工件）随输送链运动，进入喷房。当车体所在的滑撬前端触发工件感应开关后，PLC发送工作号到机器人。之后，车体继续进入喷房到指定距离且机器人还没有开始运动时，PLC发送拍照信号触发相机拍照。此时相机对当前车体拍照，把当前图像与模板图像（先前优化后存在模板库中的标准图像）对比，得出车体上特征点发生的变化，进而得出车体的偏移数据（dxC， dyC），或者车体的局部是否发生变化信息。

如图7，相机1和相机2获取车身位置，相机3和相机4检测车身是否打滑，相机5和相机6检测车门是否关严。

2 车身位置的视觉补偿

2.1 机器人的跟踪坐标系

将4台P700iA机器人分别编号为Pj （j=1，2，3，4）。机器人车身轨迹所在的坐标系为跟踪坐标系（Track Frame），该坐标系与输送链同步运动。当工件感应开关触发后，跟踪坐标系生成，相对于车身固连。如图5，机器人的跟踪坐标系参数包含位置XYZ和方向WPR，本文补偿X和Y的位置量（dxi， dyi）（i=1，2，3，4），忽略Z位置量和WPR方向量。X和Y方向如图7所示。

2.2 视觉补偿原理

相机1和相机2对车体拍照，获得当前车体的误差（dxC， dyC）。视觉控制柜将误差通过总线（Profibus）发送到PLC，PLC再发送到机器人。机器人获得（dxC， dyC）后，修改跟踪坐标系参数，使跟踪坐标系偏移（dxi， dyi）（i=1，2，3，4），进而车体轨迹整体发生偏移，实现机器人轨迹的整体补偿。

由于喷涂机器人的轨迹直接影响喷涂质量，本文对喷涂机器人的轨迹，忽略开门机和开盖机。

2.3 车身误差和机器人补偿量的关系

如图7，根据相机坐标系{C}和4台喷涂机器人坐标系{Pj} （j=1，2，3，4）的方向关系，车身误差和机器人的补偿量有如下关系：

式中，dxC、dyC为相机获得的车身误差，dxi、dyi （i=1，2，3，4）分别为4台喷涂机器人跟踪坐标系的补偿量。

2.4 视觉补偿结果

图8为100台车的车身误差（dxC， dyC），沿着输送链方向的误差在（-15， 18）之间，垂直输送链方向的误差在（-6， 5）之间。

3 车门关闭检测

内喷站车体喷涂完畢后，开门机将车门关闭，但开门机存在5%的几率无法将车门关严。没有关严的车门，在后续的生产环节中，会引发一些车身质量问题。例如：如果车门被打开一个小的角度（如1～2度），在喷涂线的下一工序车身外表面喷涂站，将导致车门边缘肥边、缺漆等严重的车身质量问题。

在开门机关闭车门后，相机对车体拍照，识别车门上的特征点，当特征点误差过大，被认为门没有关严。此时，视觉控制柜通过总线发送信号到PLC，PLC报警提醒操作工有车门打开。

4 结语

4.1 将视觉系统应用于喷涂机器人的车身位置补偿

Fanuc的P700iA机器人车身内表面喷涂工作站，添加VMT视觉系统。相机获得车身定位误差，通过总线将偏移量数据发送机器人，补偿跟踪坐标系，提高了喷涂机器人的作业精度。

4.2 对车身的X和Y的位置量进行补偿

忽略Z位置量和WPR方向量。

4.3 识别车门是否关严

消除了未关严车门对喷涂线下一道工序的不良影响。

参考文献

[1] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000： 31-32.

[2] 郑彦兴，韦庆，常文森.机器人装配任务中误差的视觉校正[J].机器人， 2001，5： 446-449.

[3] 崔线线，陈萍萍，袁井伟.双目视觉快速匹配在喷涂机器人中的应用[J].科技传播，2015， 8： 129 – 130.

[4] 苏景存.基于机器视觉的机器人喷涂技术研究[D].河北：河北联合大学， 2013.