★杭州?？禉C器人股份有限公司王春茂

1　背景

在工業(yè)自動(dòng)化在高精度測量領(lǐng)域，3D線(xiàn)激光掃描測量技術(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)競爭力的關(guān)鍵因素。

傳統的單目3D激光輪廓傳感器是基于線(xiàn)激光三角測量法來(lái)重建三維場(chǎng)景的如圖1所示。通過(guò)向被測物表面投射激光線(xiàn)，使用2D相機接收其反射光的變化，可以非接觸式測量物體表面輪廓。通過(guò)被測物和激光輪廓傳感器之間的相對運動(dòng)，對連續獲取的一組剖面輪廓高度數據來(lái)近似地重構出被測物的3D形狀，實(shí)現高精度測量及檢測。

圖1 三角測量原理示意圖

然而，當激光線(xiàn)運行路徑上存在遮擋物時(shí)，激光線(xiàn)無(wú)法進(jìn)入成像光學(xué)系統，容易造成點(diǎn)云成像數據缺失，即盲區，對后續點(diǎn)云數據分析造成影響。而采用雙相機對向架設的拼接方案，存在標定工序復雜、部署難度大、對機構穩定性要求高等問(wèn)題。其次，在高反光材質(zhì)的精密器件3D檢測任務(wù)中，因物體表面漫反射光線(xiàn)復雜，普通的3D激光輪廓傳感器通常無(wú)法準確提取到物體表面的點(diǎn)云數據。

汽車(chē)連接器PIN針檢測場(chǎng)景就面臨著(zhù)上述檢測挑戰。其中，PIN針是連接器中用來(lái)完成電或信號的導電傳輸的一種金屬物質(zhì)，主要功能是完成電或信號的導電傳輸。除車(chē)載使用的連接器外，PIN針還廣泛應用于變壓器、電感器、中周、接插件、電容、電阻、馬達、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(zhù)生產(chǎn)企業(yè)對質(zhì)量的把控力度增加，PIN針檢測的需求也不斷增多。

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。傳統的人工檢測方式存在效率低、易出錯等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足高精度、大批量生產(chǎn)的需求。其中，PIN針檢測主要包含高度測量、平面度/位置度、斷針、少針等內容。

?？禉C器人的優(yōu)勢之一，就在于對特定場(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針的檢測痛點(diǎn)，?？禉C器人推出了雙目單線(xiàn)激光輪廓傳感器搭載VM3D算法平臺的綜合方案，實(shí)現對汽車(chē)連接器PIN針的高精度、自動(dòng)化檢測，大幅提升生產(chǎn)線(xiàn)的檢測能力和產(chǎn)品質(zhì)量。方案已在多個(gè)終端用戶(hù)落地使用，大幅度提升了PIN針檢測項目的效率和檢測質(zhì)量。

2.2　方案介紹

硬件部署方面，3D相機在檢測過(guò)程中一般為固定狀態(tài)，平移臺帶動(dòng)樣品運動(dòng)，實(shí)現目標區域掃描過(guò)程，平臺輸出等間隔的編碼器信號，確保相機等間距采集輪廓數據。平臺參數包括平移臺速度、相機幀率、相鄰輪廓間隔、相機架設預留空間等。3D激光輪廓傳感器在選型時(shí)主要參考單輪廓點(diǎn)數、X/Z軸測量范圍、重復性精度和掃描幀率等參數。汽車(chē)連接器PIN針檢測項目中，采用?？禉C器人雙目單線(xiàn)激光輪廓傳感器，點(diǎn)云清晰細膩，重復精度可以達到亞微米級，完整的硬件配置拓撲結構如圖3所示。

圖3 硬件部署示意圖

軟件部署方面，?？禉C器人VM3D算法平臺軟件，共有超過(guò)70個(gè)以上的3D圖像算子，涵蓋了3D測量、3D定位、3D圖像處理和3D缺陷檢測等功能，同時(shí)具備100多個(gè)2D算子輔助，可以實(shí)現“2D+3D+AI”的豐富功能。在汽車(chē)連接器PIN針檢測項目中，VM3D搭建流程包括目標定位、圖像處理和測量檢測等流程?；谙鄼C采集的深度圖像，導入VM3D軟件中。主要通過(guò)灰度變換、高精度匹配、位置修正、基準矯正、統計測量、點(diǎn)面測量等工具，滿(mǎn)足PIN針高度、XY間隔位置，基面平面度等測量需求。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，?？禉C器人汽車(chē)連接器PIN針檢測方案已被華東、華南等區域的眾多合作伙伴集成在智能檢測設備中，并在多家汽車(chē)電子用戶(hù)的產(chǎn)線(xiàn)上落地應用。同時(shí)，?？禉C器人也根據客戶(hù)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，顯示歷史檢測數量、NG個(gè)數、NG原因分類(lèi)、PIN針高度等關(guān)鍵指標，終端客戶(hù)可實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)質(zhì)量情況。

圖5 界面顯示圖

3　應用創(chuàng )新

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

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

（2）檢測內容多：PIN針檢測除了常見(jiàn)的PIN針高度檢測，還有基準面平面度檢測、PIN針間距檢測、PIN針缺少檢測等檢測項。

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

?？禉C器人充分調研客戶(hù)需求，設計推出了雙目單線(xiàn)激光輪廓傳感器，不同于傳統的激光輪廓傳感器，雙目相機內部通過(guò)雙傳感器圖像融合，二者盲區互補，實(shí)現掃描方向上盲區消除。提升傳感器檢測精度，滿(mǎn)足不同的檢測需求。配套的VM3D算法平臺可以高效地搭建檢測方案，應對不同的工件情況。

4　效益分析

（1）成本層面：1+1＜2

相比于傳統雙相機對頭拼接架設消除盲區的方式，雙目單線(xiàn)激光輪廓傳感器可獨立實(shí)現此功能，同時(shí)不受外部拼接標定誤差影響，可進(jìn)一步降低項目成本和項目實(shí)施復雜度，提升檢測精度。單頭輪廓儀和雙目單線(xiàn)輪廓儀成像對比示意圖如圖6所示。

（2）效果層面：1+1＞2

通過(guò)相機內置的對稱(chēng)設計的圖像采集模塊，拍攝被測物表面的激光線(xiàn)，進(jìn)而通過(guò)圖像處理，抑制雜光對點(diǎn)云提取的影響，相比雙相機對象拼接方案，進(jìn)一步提升了點(diǎn)云數據的準確性和真實(shí)性。傳統拼接方式與雙目單線(xiàn)傳感器對比示意圖如圖7所示。

圖6 單頭輪廓儀和雙目單線(xiàn)輪廓儀成像對比示意圖

圖7傳統拼接方式與雙目單線(xiàn)傳感器對比示意圖

5　案例意義

在汽車(chē)行業(yè)中，連接器是汽車(chē)電子系統的重要零部件，連接器內部Pin針的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)車(chē)輛電子系統的安全。?？禉C器人雙目單線(xiàn)激光輪廓傳感器與VM3D算法平臺在汽車(chē)連接器PIN針檢測中的成功應用，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，也為其他高精度測量場(chǎng)景提供了可復制的技術(shù)方案。新技術(shù)能有效提升檢測效率和質(zhì)量，進(jìn)一步降低項目成本，助力終端用戶(hù)智能生產(chǎn)，高質(zhì)量生產(chǎn)。

隨著(zhù)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。?？禉C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)提供了高精度測量方案，推動(dòng)質(zhì)檢環(huán)節向智能化、高效化轉型，為產(chǎn)品品質(zhì)保駕護航。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年12月刊