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★杭州海康機(jī)器人股份有限公司王春茂

1　背景

在工業(yè)自動(dòng)化在高精度測(cè)量領(lǐng)域，3D線激光掃描測(cè)量技術(shù)憑借其非接觸、高精度、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)智能制造中廣泛使用。特別是在汽車(chē)汽配行業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率逐漸成為產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的單目3D激光輪廓傳感器是基于線激光三角測(cè)量法來(lái)重建三維場(chǎng)景的如圖1所示。通過(guò)向被測(cè)物表面投射激光線，使用2D相機(jī)接收其反射光的變化，可以非接觸式測(cè)量物體表面輪廓。通過(guò)被測(cè)物和激光輪廓傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)連續(xù)獲取的一組剖面輪廓高度數(shù)據(jù)來(lái)近似地重構(gòu)出被測(cè)物的3D形狀，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及檢測(cè)。

圖1 三角測(cè)量原理示意圖

然而，當(dāng)激光線運(yùn)行路徑上存在遮擋物時(shí)，激光線無(wú)法進(jìn)入成像光學(xué)系統(tǒng)，容易造成點(diǎn)云成像數(shù)據(jù)缺失，即盲區(qū)，對(duì)后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析造成影響。而采用雙相機(jī)對(duì)向架設(shè)的拼接方案，存在標(biāo)定工序復(fù)雜、部署難度大、對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性要求高等問(wèn)題。其次，在高反光材質(zhì)的精密器件3D檢測(cè)任務(wù)中，因物體表面漫反射光線復(fù)雜，普通的3D激光輪廓傳感器通常無(wú)法準(zhǔn)確提取到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

汽車(chē)連接器PIN針檢測(cè)場(chǎng)景就面臨著上述檢測(cè)挑戰(zhàn)。其中，PIN針是連接器中用來(lái)完成電或信號(hào)的導(dǎo)電傳輸?shù)囊环N金屬物質(zhì)，主要功能是完成電或信號(hào)的導(dǎo)電傳輸。除車(chē)載使用的連接器外，PIN針還廣泛應(yīng)用于變壓器、電感器、中周、接插件、電容、電阻、馬達(dá)、二三極管、集成電路等眾多電子元件中。汽車(chē)連接器如圖2所示。

隨著生產(chǎn)企業(yè)對(duì)質(zhì)量的把控力度增加，PIN針檢測(cè)的需求也不斷增多。

圖2 汽車(chē)連接器示意圖

2　案例實(shí)施與應(yīng)用

2.1　場(chǎng)景介紹

在汽車(chē)連接器生產(chǎn)過(guò)程中，PIN針的質(zhì)量直接影響到連接器的功能和安全性。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式存在效率低、易出錯(cuò)等問(wèn)題，難以滿足高精度、大批量生產(chǎn)的需求。其中，PIN針檢測(cè)主要包含高度測(cè)量、平面度/位置度、斷針、少針等內(nèi)容。

海康機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)之一，就在于對(duì)特定場(chǎng)景開(kāi)展軟硬件的綜合優(yōu)化，提供場(chǎng)景化定制的產(chǎn)品和方案。面向汽車(chē)連接器PIN針的檢測(cè)痛點(diǎn)，海康機(jī)器人推出了雙目單線激光輪廓傳感器搭載VM3D算法平臺(tái)的綜合方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)連接器PIN針的高精度、自動(dòng)化檢測(cè)，大幅提升生產(chǎn)線的檢測(cè)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。方案已在多個(gè)終端用戶落地使用，大幅度提升了PIN針檢測(cè)項(xiàng)目的效率和檢測(cè)質(zhì)量。

2.2　方案介紹

硬件部署方面，3D相機(jī)在檢測(cè)過(guò)程中一般為固定狀態(tài)，平移臺(tái)帶動(dòng)樣品運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域掃描過(guò)程，平臺(tái)輸出等間隔的編碼器信號(hào)，確保相機(jī)等間距采集輪廓數(shù)據(jù)。平臺(tái)參數(shù)包括平移臺(tái)速度、相機(jī)幀率、相鄰輪廓間隔、相機(jī)架設(shè)預(yù)留空間等。3D激光輪廓傳感器在選型時(shí)主要參考單輪廓點(diǎn)數(shù)、X/Z軸測(cè)量范圍、重復(fù)性精度和掃描幀率等參數(shù)。汽車(chē)連接器PIN針檢測(cè)項(xiàng)目中，采用海康機(jī)器人雙目單線激光輪廓傳感器，點(diǎn)云清晰細(xì)膩，重復(fù)精度可以達(dá)到亞微米級(jí)，完整的硬件配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件部署示意圖

軟件部署方面，海康機(jī)器人VM3D算法平臺(tái)軟件，共有超過(guò)70個(gè)以上的3D圖像算子，涵蓋了3D測(cè)量、3D定位、3D圖像處理和3D缺陷檢測(cè)等功能，同時(shí)具備100多個(gè)2D算子輔助，可以實(shí)現(xiàn)“2D+3D+AI”的豐富功能。在汽車(chē)連接器PIN針檢測(cè)項(xiàng)目中，VM3D搭建流程包括目標(biāo)定位、圖像處理和測(cè)量檢測(cè)等流程。基于相機(jī)采集的深度圖像，導(dǎo)入VM3D軟件中。主要通過(guò)灰度變換、高精度匹配、位置修正、基準(zhǔn)矯正、統(tǒng)計(jì)測(cè)量、點(diǎn)面測(cè)量等工具，滿足PIN針高度、XY間隔位置，基面平面度等測(cè)量需求。VM3D軟件部署如圖4所示。

圖4 VM3D軟件部署示意圖

自產(chǎn)品發(fā)布起，海康機(jī)器人汽車(chē)連接器PIN針檢測(cè)方案已被華東、華南等區(qū)域的眾多合作伙伴集成在智能檢測(cè)設(shè)備中，并在多家汽車(chē)電子用戶的產(chǎn)線上落地應(yīng)用。同時(shí)，海康機(jī)器人也根據(jù)客戶的需求，客制化地開(kāi)發(fā)了界面集成顯示畫(huà)面，如圖5所示，顯示歷史檢測(cè)數(shù)量、NG個(gè)數(shù)、NG原因分類(lèi)、PIN針高度等關(guān)鍵指標(biāo)，終端客戶可實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)質(zhì)量情況。

圖5 界面顯示圖

3　應(yīng)用創(chuàng)新

作為連接器生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵工序，PIN針檢測(cè)工藝對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)有著如下技術(shù)要求。

（1）精度要求高：傳統(tǒng)PIN針歪斜檢測(cè)主要依靠人工觀察或者利用插排等工件測(cè)試，存在檢測(cè)效率低、精度無(wú)法滿足工業(yè)要求的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，PIN針檢測(cè)的Z軸精度要求在0.01~0.1mm。

（2）檢測(cè)內(nèi)容多：PIN針檢測(cè)除了常見(jiàn)的PIN針高度檢測(cè)，還有基準(zhǔn)面平面度檢測(cè)、PIN針間距檢測(cè)、PIN針缺少檢測(cè)等檢測(cè)項(xiàng)。

（3）產(chǎn)品種類(lèi)多：出于降本考慮，許多檢測(cè)工位需要兼顧多種產(chǎn)品的檢測(cè)需求。由于連接器的材質(zhì)、形態(tài)各異，對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的兼容性要求更高。

海康機(jī)器人充分調(diào)研客戶需求，設(shè)計(jì)推出了雙目單線激光輪廓傳感器，不同于傳統(tǒng)的激光輪廓傳感器，雙目相機(jī)內(nèi)部通過(guò)雙傳感器圖像融合，二者盲區(qū)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)掃描方向上盲區(qū)消除。提升傳感器檢測(cè)精度，滿足不同的檢測(cè)需求。配套的VM3D算法平臺(tái)可以高效地搭建檢測(cè)方案，應(yīng)對(duì)不同的工件情況。

4　效益分析

（1）成本層面：1+1＜2

相比于傳統(tǒng)雙相機(jī)對(duì)頭拼接架設(shè)消除盲區(qū)的方式，雙目單線激光輪廓傳感器可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)此功能，同時(shí)不受外部拼接標(biāo)定誤差影響，可進(jìn)一步降低項(xiàng)目成本和項(xiàng)目實(shí)施復(fù)雜度，提升檢測(cè)精度。單頭輪廓儀和雙目單線輪廓儀成像對(duì)比示意圖如圖6所示。

（2）效果層面：1+1＞2

通過(guò)相機(jī)內(nèi)置的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)的圖像采集模塊，拍攝被測(cè)物表面的激光線，進(jìn)而通過(guò)圖像處理，抑制雜光對(duì)點(diǎn)云提取的影響，相比雙相機(jī)對(duì)象拼接方案，進(jìn)一步提升了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線傳感器對(duì)比示意圖如圖7所示。

圖6 單頭輪廓儀和雙目單線輪廓儀成像對(duì)比示意圖

圖7傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線傳感器對(duì)比示意圖

5　案例意義

在汽車(chē)行業(yè)中，連接器是汽車(chē)電子系統(tǒng)的重要零部件，連接器內(nèi)部Pin針的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)車(chē)輛電子系統(tǒng)的安全。海康機(jī)器人雙目單線激光輪廓傳感器與VM3D算法平臺(tái)在汽車(chē)連接器PIN針檢測(cè)中的成功應(yīng)用，不僅提升了汽車(chē)制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也為其他高精度測(cè)量場(chǎng)景提供了可復(fù)制的技術(shù)方案。新技術(shù)能有效提升檢測(cè)效率和質(zhì)量，進(jìn)一步降低項(xiàng)目成本，助力終端用戶智能生產(chǎn)，高質(zhì)量生產(chǎn)。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的制造企業(yè)需要通過(guò)自動(dòng)化和智能化技術(shù)來(lái)提升生產(chǎn)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。海康機(jī)器人通過(guò)不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，已經(jīng)為汽車(chē)、汽配、3C電子等多個(gè)行業(yè)提供了高精度測(cè)量方案，推動(dòng)質(zhì)檢環(huán)節(jié)向智能化、高效化轉(zhuǎn)型，為產(chǎn)品品質(zhì)保駕護(hù)航。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年12月刊