李景怀 王中永
中国汽车工业工程有限公司
摘要：近年来，视觉机器人的图像处理技术已经从简单的二值图像处理发展到数据量较大的高分辨率图像处理，加上微电子、人工智能、人工神经网络等学科的快速发展，视觉信息交互技术不断成熟，为视觉机器人抓取应用奠定了良好的基础。机器人视觉成像技术正越来越广泛地应用于识别、测量、缺陷检测、分拣、自动化封装等领域中。除此之外，一些运用在医疗、航空航天、抗灾救援等特殊领域的视觉机器人(高精度、高压、高温等环境)也可以高效地辅助或替代人工完成人类难以完成的工作。机器人视觉感知系统中还有许多科学问题需要解决，例如:如何让机器人快速捕捉三维场景中的有效信息;当工作环境发生变化时，如何通过视觉系统和深度学习算法具备一定的泛化能力，可以像人一样具有自主适应环境的能力。
关键词：汽车装配；定位；监控；紧固件
引言
现阶段，三维定位系统在工业生产领域已经有了广泛的应用，比如在汽车生产、机械产品生产等领域应用广泛，大大缩短了工业产品设计的周期，为工业设计产品结构模型提供了新的思路和方式。但其应用的深度和广度还有很大的空间，随着虚拟装配技术在工业设计领域的不断应用，其技术也日益完善。基于计算机图像学，通过计算机辅助展现工业产品设计的构造、结构、外观等信息，在工业产品设计阶段发挥了重要的作用。
1汽车紧固件装配概述
紧固件素有“工业之米”的美誉，在整车系统中也是最为常见的零件之一，其主要作用是保证机械结构的可靠连接。在汽车装配过程中，紧固件以螺纹连接、焊接、铆接等形式为主，装配操作看似简单但却涉及到了诸多产品特性及工艺要求。对于紧固件产品特性而言，一般涉及的参数为扭矩、转速、尺寸大小和材质等。对于紧固件的工艺特性而言，一般涉及取料、预装、紧固和检查等操作步骤。最终的装配要求是选取准确数量紧固件，并按照规定的顺序使用正确的参数去拧紧正确位置的紧固件。目前，整个过程中基本依赖人工识别的方法。随着对于紧固件装配质量要求不断提升，使得汽车主机厂迫切地寻求更智能更高效的手段来监控与记录紧固件的装配过程。
2国内研究现状
国内的相关研究相较于国外起步较晚，但是经过多年的不断探索和科研积累，正在逐渐缩小与国外的差距。近年来，国内对视觉机器人自动抓取的研究也取得了一定的成绩。北京交通大学的高立宁等学者在2012年通过改进HSV空间下基于颜色相似度的分割方法，利用双目视觉模型实现了在三维空间中对物体的定位与测量。华中科技大学师生团队研究利用机器视觉技术对IC芯片进行检测、封装的相关技术。合肥工业大学的刘正琼团队研究一种基于机器视觉的超视场工件识别抓取系统。
3定位系统原理
本文所述的三维定位主要是利用超声波特性进行定位的技术，具体原理是依靠发射器持续向某个方向进行超声波传递并在发射的同时记录时间，当接收器收到超声波后就停止计时，然后结合波在介质中移动的速度以及移动时间推算出波所移动的距离。位置计算方法通过一个简单的模型说明一下。将四个相同的超声波接收器分别放在同一平面的四个点位并设四点的中点为坐标原点。四个接收装置的坐标通过测量是容易获得的，分别设为（X1，Y1，0），（X2，Y2，0），（X3，Y3，0），（X4，Y4，0）。待定位物体的位置坐标设为T（x，y，z），发生器离接收器的距离分别设为d1，d2，d3，d4。如下图所示，求解方程组得出x，y，z的值。
4三维定位系统在汽车紧固件装配中的应用
4.1TOF3D成像
飞行时间(TOF)3D深度成像原理通过红外发射器发射信号，同时启动红外线接收单元进行计时，经过物体的反射后，被红外线摄像器接收，通过时间来计算距离，获得具有深度信息的点云图。TOF成像具有检测速度快、视野广等优势，但缺点由于易受环境光的干扰较大，精度不高，不适合应用在高精度下的视觉抓取。其中使用较为广泛的KinectV2体感采集外设就是利用这个原理，现已广泛作为视觉机器人ＲGB－D摄像头，除了具有普通相机的成像功能，还具有深度成像功能。
4.2激光加工生产技术
对于机械制造创新技术来说，必须要针对关键性的技术进行创新，目前在汽车制造行业中，激光技术的应用十分广泛，也就是借助大功率激光，来进行汽车机械设备的加工，这种方式可以提高加工产品的精准度以及效率，并且具有十分出色的柔韧性优势。不过该技术的使用难点较多，涉及到光学、材料、控制技术等等，因此需要进一步研究和实践，目前在车身曲面焊接中的使用较多，以及不等厚板切焊工艺、非穿透紧密切割，只有深入研究加强该技术的开发，才能提高激光加工生产技术的使用范围，从而推动汽车制造行业的全面发展。
4.3虚拟装配技术在工艺规划上的应用
市场的需求驱动着工业设计的可行性，消费者需求的满足很大程度上取决于产品的设计，产品的设计阶段尤为重要，是多种目标综合体现的过程，满足生产需要的首要条件则是满足顾客的需求。为了使产品的开发流程在虚拟装配领域得到标准的表述，需要优化开发目标的算法，利用模糊约束与模糊目标进行优化加权。在工业产品设计的工艺规划阶段加以虚拟装配技术的应用，有助于设计出的产品更好地满足市场的需求。融合虚拟装配技术的产品设计工艺规划主要在产品概念设计、初步设计、详细设计、设计实施这几个阶段。产品的概念设计需要定义用户的需求和产品的功能，并进行功能的分解，明确功能需求。初步设计阶段需要通过用户需求的定位以及对产品价格、质量的预估选择产品的材料和形式。产品的详细设计中则需要通过虚拟装配技术建立设计模型，模拟装配过程对装配工艺进行规划并估计成本与时间。在设计实施阶段，完成对生产方式的选择、选择制造过程和装配过程控制成本和时间。并通过虚拟装配技术的应用发现设计中的缺陷进行再设计。融合虚拟装配的产品设计在工艺规划上减少了设计与制造之间的缺陷和瓶颈，为设计师与工程师提供了标准的语言，使设计的周期得以缩短，生产的效率得以提高。在设计实施具体过程中，各元素占模型大小的百分比都有严格的要求。
结束语
当今快速变化的环境中，质量控制已从结果检测慢慢前移到过程检测，预防性的质量控制将问题发生的概率大大降低并减少了后续返工成本的支出，而三维定位系统正是过程质量控制中一个的良好方法与手段。三维定位本身是一项相对成熟的技术，所涉及的设备硬件模块化程度高，结构相对简单，布置柔性度好而且无论是静态环境还是动态环境都能适用。可以帮助紧固件在装配应用过程中自动实现顺序监控与位置监控的功能替代原有的人工识别，在将整个过程状态显性化的同时还记录了过程数据。提升了质量控制能力，也提升了操作效率。
参考文献
[1]岳利敏,李云霞.汽车装配紧固件动态、静态扭矩的控制[J].大众科技2019,21(08):48-50.
[2]粟洋,申超.汽车紧固件工艺知识概述[J].时代汽车,2019(02):130-131.
[3]李大维.汽车螺纹紧固件装配工艺研究[J].汽车与配件,2019(01):76-77.
[4]常建娥,李帅,莫易敏,张峰,王天生.基于装配相似性与灰色模型的汽车装配工时预测[J].工业工程,2018,21(03):87-92.
[5]吉莉,张恒恒,刘礼,米春子,杨小倩.汽车用连接紧固件“理虚实”一体化实课程设计与实践[J].科技资讯,2018.18(04):112-113+115.