自動化技術(shù)的發(fā)展過程是由機器逐步替代人工的過程。人的大腦、四肢、感官和神經(jīng)系統(tǒng)就相當于自動化系統(tǒng)的核心控制器。人的視覺作為人本身較復雜的功能是較晚被仿真應用到自動化過程中的一種感官功能。自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展為機器視覺的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而在很多情況下，人類的視覺越來越不能滿足生產(chǎn)的需要，因此對替代人類視覺的自動化技術(shù)有了迫切的需要。
機器視覺概述
機器視覺系統(tǒng)起步于20世紀80年代，是指用機器來實現(xiàn)人的視覺功能，也就是用機器來實現(xiàn)對客觀的三維世界的識別。按現(xiàn)在的理解，人類視覺系統(tǒng)的感受部分是視網(wǎng)膜，它是一個三維采樣系統(tǒng)。三維物體的可見部分投影到網(wǎng)膜上，人們按照投影到視網(wǎng)膜上的二維圖像來對該物體進行三維理解。所謂三維理解是指人們對被觀察對象的形狀、尺寸、離開觀察點的距離、質(zhì)地和運動特征（方向和速度）等的理解。
機器視覺系統(tǒng)的輸入裝置可以是攝像機、感應器等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入機器的就是三維世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影看作是一種正變換的話，那么機器視覺系統(tǒng)所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。機器視覺的基本構(gòu)成見圖1。
圖1 機器視覺基本構(gòu)成
機器視覺系統(tǒng)的處理步驟通常為：圖像的獲取、處理、分析及輸出執(zhí)行。圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機等；圖像處理設(shè)備包括相應的軟件和硬件系統(tǒng)；輸出設(shè)備是與制造過程相連的有關(guān)系統(tǒng)，包括過程控制器和報警裝置、機器人等。
機器視覺的特點主要是精度高、速度快、重復性好和無疲勞。使用機器視覺可以很好地提高產(chǎn)品質(zhì)量和自動化程度，尤其在一些不適合人工操作的危險工作環(huán)境或是對產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場合，機器視覺更適合替代人工。目前將近80%的工業(yè)視覺系統(tǒng)主要用在檢測方面，包括用于提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量和采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。
機器視覺在國外工業(yè)生產(chǎn)中使用較多，但在國內(nèi)還處于剛起步階段。目前在煙草行業(yè)、汽車行業(yè)等多個行業(yè)中被應用。在汽車行業(yè)中的應用主要包括：
1．裝配監(jiān)測：車頂組裝、測量發(fā)動機/齒輪組裝、天窗組裝、車門安裝、沖壓件的裝載和卸載、車輪組裝、座艙組裝玻璃裝飾、發(fā)動機裝卸、運輸沖壓件的選取、側(cè)板的裝卸及發(fā)動機組裝的柔性監(jiān)測；
2．編碼監(jiān)測：汽車二維條碼的識別；
3．完整性監(jiān)測：車門主要密封，底盤密封，間隙、齊平測量；
4．粘結(jié)性監(jiān)測：底板PVC涂膠。
機器視覺系統(tǒng)在裝配方面應用范圍最為廣泛的是擋風玻璃和座艙的安裝，其能夠很好地滿足高精度的安裝要求。而在白車身焊接中，機器視覺應用的實例并不多。本文介紹幾種在白車身制造中的機器視覺系統(tǒng)的應用。
焊縫自動跟蹤
手工或半自動焊接是依靠操作者肉眼的觀察和手工的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。對于機器人或自動焊接專機等全自動化的焊接應用，主要靠機器的編程和記憶能力、工件及其裝配的精度和一致性來保證焊槍能在工藝許可的精度范圍內(nèi)對準焊縫。通常，機器的重復定位精度、編程和記憶能力等已能滿足焊接的要求。然而，在很多情況下，工件及其裝配的精度和一致性不易滿足大型工件或大批量自動焊接生產(chǎn)的要求，其中還存在因過熱而導致的應力和變形的影響。因此，一旦遇到這些情況，就需要有自動跟蹤裝置，用來執(zhí)行類似于手工焊中人眼與手的協(xié)調(diào)跟蹤與調(diào)節(jié)的功能。這種情況下，機器視覺系統(tǒng)就會替代人類視覺來完成類似的自動導航功能。主要的應用方式為機器視覺系統(tǒng)與機器人相結(jié)合，采用的焊接方式通常為弧焊和激光焊接，尤其是應用于激光焊接技術(shù)，能極大地提高焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性。主要應用的范圍為白車身側(cè)圍框架、車頂側(cè)圍總成和車門框架等。
應用較為廣泛的焊縫跟蹤的視覺系統(tǒng)，通常采用的是激光視覺傳感方式。目前這種方式技術(shù)成熟，成本合適，能適應白車身焊接中的多種板材連接方式的焊接，穩(wěn)定性較好，是一種性價比較高的機器視覺解決方案。
激光視覺傳感的基本原理就是光學的三角測量原理，激光束照射到目標物體的表面，形成一個光斑點，經(jīng)過攝像頭上的透鏡在光敏探測器上產(chǎn)生一個像點。由于激光器與攝像頭的相對位置是固定的，當激
光傳感器與目標物體的距離發(fā)生變化時，光敏探測器上的像點位置也相應發(fā)生變化，所以根據(jù)物像的三角形關(guān)系可以計算出高度的變化，即測量了高度變化。當激光束以一定的形狀掃描（掃描方式）或通過光學器件變換以光面的形式在目標物體的表面投射出線形或其他幾何形狀的條紋（結(jié)構(gòu)光方式），在面陣的光敏探測器上就可以得到表征目標截面的激光條紋圖像（見圖2）。當激光傳感器沿著物體表面掃描前進時，就能得到所掃描表面形狀的輪廓信息。所獲得的信息可用于焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、自適應焊接參數(shù)控制及焊縫成形檢測等。
圖2 激光視覺傳感的基本原理
實際應用中的焊縫跟蹤系統(tǒng)通常由以下部分組成（見圖3）：即工業(yè)機(PIII/PIV)、
視覺傳感器、圖形控制界面、網(wǎng)絡(luò)、機器人接口（可選）和數(shù)字模擬輸入輸出（可選）。
圖3 焊縫跟蹤系統(tǒng)組成
以Meta-Scout公司生產(chǎn)的專用焊縫跟蹤傳感器Scout系列為例，通常的技術(shù)參數(shù)為：最小的精度誤差0.1mm；圖像采集頻率50Hz；最大數(shù)據(jù)更新頻率250點/s。
Scout系統(tǒng)的優(yōu)點：
1．可控制機器人自動高精度工作，不需要機器人有預設(shè)的軌跡；
2．可控制機器人在6D的方向上自由運作（包括速度和軌跡）；
3．5根激光線，使系統(tǒng)的抗干擾性更強；
4．測量數(shù)據(jù)精度高，運算速度快。
通常的焊縫跟蹤系統(tǒng)能夠很好地識別下面集中板材接口類型的焊接，達到焊接參數(shù)自動優(yōu)化。
根據(jù)設(shè)定的各種焊縫形式，焊縫跟蹤系統(tǒng)自動進行焊接參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)全權(quán)接管機器人的控制權(quán)限，由系統(tǒng)控制機器人行進的軌跡、姿態(tài)以及速度等。
白車身焊接的應用見圖4。
圖4 車頂焊縫跟蹤
誤差控制
目前在車身制造中，最關(guān)鍵的問題是車身制造中的誤差控制，良好的誤差控制為涂裝、總裝都會帶來很大的方便，良好的誤差控制可以使裝配工作簡單化，減少不必要的調(diào)整和返修工作。利用機器視覺系統(tǒng)對白車身進行檢測，關(guān)鍵是車身總成和關(guān)鍵尺寸的檢測，來達到控制車身制造誤差的目的。
目前在上海大眾中使用ISRA-Vision的機器視覺系統(tǒng)在線測量車身總成尺寸，根據(jù)測得的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用機器人系統(tǒng)來完成汽車后尾燈安裝孔（見圖5）的加工、后保險杠安裝支架固定螺栓的焊接、汽車前縱梁的激光切割及前保險杠支架（見圖6）的激光焊接，從而糾正車身制造中的累計誤差，使總裝車間在安裝汽車后尾燈、后保險杠和前保險杠時不需要調(diào)整即可滿足安裝時的間隙和平整度要求。
圖5 后尾燈安裝孔
圖6 前縱梁和保險杠支架
以ISRA-Vision測量系統(tǒng)為例，該測量系統(tǒng)與前文所介紹的機器視覺系統(tǒng)的組成一致，主要包括工業(yè)計算機、圖像采集卡、攝像機及照明單元，連接
總線用于上位機，通常為工位PLC控制器通信；用于執(zhí)行機構(gòu)，通常為機器人通信。
ISRA用于3D測量的技術(shù)稱為VIAMES，通常VIAMES系統(tǒng)用于白車身的制造中。其基本原理是通過獲取的圖像，分析得到其中的圖像特征，計算出相對于原始位置的位移，將補償偏移值傳送到機器人，由機器人來運行到基于當前白車身的新的位置進行后續(xù)工作，從而來消除白車身制造誤差。
每個圖像特征由2個攝像機來獲取，這樣才能得到3D的數(shù)據(jù)。VIAMES測量的結(jié)果見圖7。
圖7 VIAMES測量的結(jié)果
對于VIAMES系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一點也最重要，首先需要對攝像機進行校正（見圖8），校正的目的是確定攝像機在空間中的坐標，包括X、Y、Z、Rx、Ry和Rz；確定攝像機本身的參數(shù)，包括相距、失真參數(shù)。
圖8 攝像機的校正
測量的方法是通過對空間已知點的測量，來得到相對的空間坐標。
在完成對各個攝像機的校正后，針對需要測量的白車身部位進行拍攝，得到相關(guān)的圖像。針對不同的圖像特征采用相應的圖像特征識別方式來達到最優(yōu)的特征抓取效率。其中包括預處理和搜索工具兩部分來完成特征的識別（見圖9）。通常使用的圖像模型識別方式有PF、PFR、EEI、PEI及USK等，并且可以根據(jù)實際得出的圖像處理結(jié)果，來調(diào)整圖像特征識別的相關(guān)參數(shù)，包括坐標系的偏移和上下限值等。
圖9 圖像特征的識別（紅色為預處理區(qū)域，綠色為搜索工具區(qū)域）
在所有需要測量的車身部位相應的模型示教完畢后，需要對待測車身進行零測量，目的是為了確定一個參考位置/零位，用于作為今后所有測量數(shù)據(jù)的參考位置。零測量的結(jié)果由計算機的專門軟件自動運算得到，操作人員需要完成的前期工作包括攝像機的校正、圖像模型的示教及安排樣件車到合適的位置等。這個樣件車將會作為今后的母板存在，通常使用特制的樣架來替代真實的白車身。零測量工作完成后，在線測量系統(tǒng)就可以正常投入運行了。
每個圖像模型都會在設(shè)計時被賦予相應的主類型號和子類型號，主類型號和子類型號組成了識別該圖形模型的惟一ID，不允許不同的圖形模型有相同的ID（見圖10）。在自動運行的情況下，由上位機給出相應的ID號，來激活相應的圖像模型識別，同時打開相應的照明單元，獲取當前白車身部位的圖像特征，由視覺控制軟件計算后得到相應的偏移值，由總線傳輸給下位執(zhí)行機構(gòu)如機器人，由執(zhí)行機構(gòu)按照新的位置來完成工作，諸如焊接、打孔、切割及裝配等，來消除在白車身制造過程中產(chǎn)生的累計誤差。
圖10 圖像模型識別ID結(jié)構(gòu)
前文以ISRA-Vision系統(tǒng)為例，介紹了機器視覺系統(tǒng)在控制白車身制造誤差上的應用，除了這些典型的應用，機器視覺系統(tǒng)還有車身零件安裝的完整性檢測以及焊接工藝的監(jiān)測等應用。
結(jié)語
目前的機器視覺系統(tǒng)發(fā)展很快，產(chǎn)品序列從低檔到高檔，完全能滿足客戶不同的應用需要。機器視覺系統(tǒng)向智能化、高速化和集成化不斷發(fā)展。產(chǎn)品如DVT公司的Legend Smartimage Sensor在線全自動視覺檢測系統(tǒng)、Siemens公司的VS系列視覺產(chǎn)品等。全球整個視覺系統(tǒng)市場每年大約以8.9％的復合增長率增長，但是主要集中在歐美和日本。機器視覺系統(tǒng)目前在國內(nèi)的白車身制造上應用還不廣泛，但是隨著機器視覺系統(tǒng)成本的降低和國內(nèi)汽車制造業(yè)對質(zhì)量要求的逐步提高，其今后也會在白車身制造中得到廣泛應用。(e
