CN111665257A - 胶型检测扫描系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及胶型检测扫描系统及其控制方法。胶型检测扫描系统包括：机器人单元、末端扫描单元、运动计算与控制单元、图形处理单元、逻辑处理与存储单元，其中，机器人单元能够进行六自由度运动；末端扫描单元设置在机器人单元的末端，并包括：旋转电机，阵扫描激光传感器，和涂胶头；运动计算与控制单元进行机器人单元的运动的控制和对旋转电机的运动角度的控制；图形处理单元对实际胶型截面进行处理，以判断对阵扫描激光传感器采集的胶型截面是否合格；逻辑处理与存储单元用于控制胶型检测扫描系统的运行，存储线阵扫描激光传感器采集的胶型截面和图形处理单元的判断结果。

Description

胶型检测扫描系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及自动涂胶检测技术领域，特别地，涉及胶型检测扫描系统及其检测方法。

背景技术

随着汽车制造技术的不断进步以及汽车制造工艺的不断优化，汽车涂胶技术已经越来越广泛地应用于各大汽车整车及汽车零部件的生产过程中。汽车涂胶不仅能够紧固车体上相同或不同的材料以优化产品结构，还能替代某些焊接、铆接工艺，达到美化车体、优化生产工艺、简化生产工序的优点。

由于涂胶质量的优劣严重影响汽车的产品质量和行车安全，涂胶检查已经成为汽车整车及零部件生产过程中不可或缺的重要环节。

在车身和/或部件的整体粘合工艺中，涂胶完成后需要进行以下操作以进行涂胶质量的检查：

1.判断涂胶位置是否正确，即判断涂胶位置是否具有偏差，是否将胶涂到不适当的位置等。

2.检查是否具有影响粘合的紧固性和密封性等的漏涂、断胶等现象。

3.进行涂胶宽度的质量控制，即避免多涂造成浪费，避免溢胶影响美观，和避免胶线过窄影响紧固性和密封性等。

现有技术中是以目视或者传统机械手的方式对涂胶质量进行检查，这导致工作效率低下、工作量大、且检查结果不准确。

发明内容

为了克服现有技术中的一个或多个不足，本发明提供胶型检测扫描系统及其控制方法，其对工件上的胶型(胶条形状，涂胶形状)及其位置进行检测，判断胶型是否合格。本发明适用于所有立体工件(不限于汽车及其零部件)上的胶型检测，并可以做到边涂边检、提高检测效率。

根据本发明的一个方面，提供胶型检测扫描系统，包括：机器人单元、末端扫描单元、运动计算与控制单元、图形处理单元、逻辑处理与存储单元，其中，机器人单元，其能够进行六自由度运动；末端扫描单元，其设置在机器人单元的末端，并包括：旋转电机，安装至旋转电机的线阵扫描激光传感器，线阵扫描激光传感器用于采集实际胶型截面和基准胶型截面，和安装至旋转电机的涂胶头；运动计算与控制单元，其进行机器人单元的运动的控制和对旋转电机的运动角度的控制；图形处理单元，其对实际胶型截面进行处理，以判断对阵扫描激光传感器采集的胶型截面是否合格；逻辑处理与存储单元，其用于控制胶型检测扫描系统的运行，存储线阵扫描激光传感器采集的胶型截面和图形处理单元的判断结果。

根据本发明的一个方面，提供使用前述胶型检测扫描系统进行胶型检测的方法，包括如下步骤：获得胶条的基准运动轨迹，获得末端扫描单元的旋转序列，获得标准工件胶型，并计算校准参数，末端扫描单元对实际涂胶工件进行扫描，以及图形处理单元判定胶型截面是否合格。

相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

(1).提高涂胶检测效率：涂胶的同时进行胶型扫描以检测涂胶质量，对涂胶轨迹、涂胶量、是否断胶等进行有效监督并反馈，提高涂胶质量检测能力和检测效率。

(2).节约成本：本发明的末端扫描单元仅包括一个传感器来进行立体工件扫描，大大降低了硬件成本。

(3).提高系统通用性：本发明所使用的扫描系统和检测方法能够对不同工件的胶型进行检测。此外，各个关键部件能相对独立又高度集成，结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行描述。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的胶型检测扫描系统的功能单元的框图。

图2示出了根据本发明实施例的传感器旋转的示意图。

图3示出了根据本发明实施例的使用胶型检测扫描系统来扫描胶型的示意图。

图4示出了根据本发明实施例的末端扫描单元的示意图。

附图标记说明：1-涂胶头，2-线阵扫描激光传感器，3-胶条，4-旋转电机，5-成像单元，6-线阵激光发射器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，本发明的胶型检测扫描系统包括：机器人单元、末端扫描单元、运动计算与控制单元、图形处理单元、以及逻辑处理与存储单元。其中，运动计算与控制单元、图形处理单元以及逻辑处理与存储单元可以整合在工控机(作为，例如，计算机的功能单元)中。以下详细描述各单元。

机器人单元，即六轴工业机械臂，可以进行六自由度的运动。机器人单元可以与逻辑处理与存储单元进行通信，在逻辑处理与存储单元的控制下进行运动。机器人单元可以与运动计算与控制单元进行通信，以向运动计算与控制单元提供机器人单元的末端的位置姿态信息等，或接受运动计算与控制单元的控制。上述通信可以采用有线方式，也可以采用无线方式。

末端扫描单元，其被设置在机器人单元的末端，包括内孔盘式旋转电机4和线阵扫描激光传感器2。如图3和图4所最佳显示的，旋转电机4内圈与涂胶头1固连，例如使涂胶头1从内圈穿过圆盘电机4的中部。线阵扫描激光传感器2与电机4外圈固连。线阵扫描激光传感器2包括线阵激光发射器6和对称地布置在线阵激光发射器6两侧的成像单元5。线阵激光发射器6与成像单元5均位于涂胶头1的同一侧。线阵扫描激光传感器2可以对胶条3进行扫描并得到胶型截面的二维图像。依据扫描的时间点，线阵扫描激光传感器2可以用于得到胶型截面的基准值和/或胶型截面的实际值。

末端扫描单元可以与逻辑处理与存储单元进行通信，在逻辑处理与存储单元的控制下进行运动。末端扫描单元可以与图形处理单元进行通信，以将得到的二维图像数据发送至图形处理单元。末端扫描单元可以与运动计算与控制单元进行通信，以向运动计算与控制单元提供末端扫描单元的位置姿态信息等并受其控制。上述通信可以采用有线方式，也可以采用无线方式。

运动计算与控制单元，可以作为工控机(例如，计算机)内的功能单元，主要进行机器人单元的信息采集与控制以及对末端扫描单元中电机运动角度(即线阵扫描激光传感器)的控制。运动计算与控制单元根据涂胶头1的运动轨迹，结合末端扫描单元的结构进行计算，形成旋转电机4的旋转角度序列，以解决在转弯过程中扫描截面与胶条夹角过大造成的胶条超出检测范围的问题。

图形处理单元，可以作为工控机内的功能单元，主要对末端扫描单元采集的胶型截面数据进行处理，并判断实际胶型截面是否在预定范围内。若实际胶型截面在预定范围内，则判断涂胶合格；否则判断涂胶存在问题，并可根据涂胶的状态来确定问题的类型(漏涂、断涂、涂胶过多等)。具体地，图形处理单元基于标准工件的基准参数进行图像的投影校准，然后去除噪声，再进行特征识别，最后通过设定的特征判断参数，进行特征判定，即判定胶型截面是否合格。

逻辑处理与存储单元，主要控制整个胶型检测扫描系统的整体运行。逻辑处理与存储单元还用于存储相应的扫描结果和判定结果等，例如，存储一类工件中的轨迹序列、扫描序列信息，并对每个工件的扫描结果和判断结果需要进行存储与管理。

在标准工件胶型输入时，逻辑处理与存储单元下发指令给运动计算与控制单元、机器人单元和末端扫描单元，控制机器人单元和末端扫描单元移动，以使末端扫描单元进行标准胶型扫描，由逻辑处理与存储单元记录所有的扫描截面图像，作为校准的基准值(基准胶型截面)。在实际涂胶过程中，由逻辑处理与存储单元记录所有的扫描截面图像，作为实际值(实际胶型截面)。图形处理单元通过每一帧截面图像的基准值与实际值的对比计算，得到当前位置轮廓下对应的一组校准参数。该参数是对于扫描单元扫描角度的校准。

其中，误判工件可手动调整存储为合格产品。

以下，描述胶型检测扫描系统的工作步骤：

S1.获取胶条的基准运动轨迹

此步骤在正式涂胶前进行，以获得机器人单元的基准运动轨迹(或称期望运动轨迹、理想运动轨迹、示教轨迹)。基准运动轨迹包括位置与截面方向的序列，该序列共有6种元素(x,y,z,p,q,r),其中，(x,y,z)是基准运动轨迹在空间中的位置坐标，(p,q,r)是此位置(x,y,z)处胶条截面的方向向量。

位置信息(x,y,z)的获取可以有例如以下2种方式：

a)运动计算与控制单元采集机器人单元的示教轨迹，可以得到序列中的(x,y,z)位置坐标；

b)从工件的三维图中得到序列中的(x,y,z)位置坐标。

基于位置坐标(x,y,z)，可以通过例如以下2种方法生成胶型截面的方向向量(p,q,r)：

a)进行样条插值，得到样条插值的曲线为S(x,y,z)＝0。

现有技术中的任意样条插值S(x,y,z)都适用于本发明。

b)取坐标点的切线方向，得到切线方向函数为Q(x,y,z)。

S2.计算末端扫描单元(旋转电机)的旋转序列

此步骤在正式涂胶前进行，以获得末端扫描单元的基准运动轨迹(或称期望运动轨迹、理想运动轨迹、示教轨迹)

在胶条检测的过程中，由于检测位置始终滞后于涂胶位置，所以可能会出现某些涂胶线无法检测的问题。可以检测的涂胶路线是有宽度的线，如图2(a)、2(b)所示，检测极限情况如图2(c)所示，不能检测的情况如图2(d)所示。

运动计算与控制单元根据在步骤S1中获得的涂胶头的基准运动轨迹结合末端扫描单元进行计算，形成旋转电机的旋转角度序列，以解决在转弯过程中扫描截面与胶条夹角过大造成的胶条超出检测范围的问题。

从图3所示的末端扫描单元可以看出，线阵扫描激光传感器2与涂胶头1之间的距离为d。

当前胶条序列中，下一待涂胶位置的位置坐标为(x_n,y_n,z_n)，以此点为中心求得半径r＝d的球函数为：

(x-x_n)²+(y-y_n)²+(z-z_n)²＝d²

其中，x_n,y_n,z_n是步骤S1中得到的基准运动轨迹的位置坐标。

将上述球函数与S(x,y,z)＝0组成方程组，求得当前的扫描位置为(x_d,y_d,z_d),然后由Q(x,y,z)求得当前扫描方向的单位向量(p_d,q_d,r_d)，作为当前扫描单元需要的旋转法向量。

以末端扫描单元初始位置的法向量与当前扫描方向(p_d,q_d,r_d)的水平夹角作为此帧的旋转角度θ_i，则可得到旋转角度序列θ₀-θ_e。

S3.输入标准工件胶型，计算校准参数

此步骤在正式涂胶的之前进行。扫描标准胶型得到参数，便于正式涂胶。

逻辑处理与存储单元下发指令给运动计算与控制单元和末端扫描单元，进行一次标准工件胶型扫描，记录所有扫描截面图像，作为校准的测量值。以实际工件胶型的测量数据作为实际值，把每一帧截面图像的测量值与实际值进行对比计算，得到当前位置轮廓下对应的一组校准参数。该参数是对于末端扫描单元扫描角度的校准。详细校准算法和方法如下：

逻辑处理与存储单元首先下发扫描指令，驱动机器人单元进行末端运动，基准运动轨迹与实际进行涂胶和检测的运动轨迹完全一致。

a)设第一帧数据为M₀，一直到结束为M_e。控制末端扫描单元的旋转序列角度为θ₀-θ_e；

b)进行步骤S6的图像处理，提取特征得到标准胶条第i帧的高度H_i和宽度D_i；

c)每一帧的实际高度为h_i，宽度为d_i。标准胶条中，每一帧的参数集合对应为P₀-P_e，集合的定义为P_i＝{P_h,P_d}，其中P_h＝H_i/h_i，P_d＝D_i/d_i。

d)由射影定理可得标准扫描截面与第i帧截面的角度误差，h_i ²＝x·H_i，求得x＝h_i ²/H_i，进一步可得θ＝arccos x/h_i。

S4.设置胶型报警的特征参数

此步骤在正式涂胶的之前进行。设置胶型特征的参数范围，并以此作为胶型合格的判定依据。

具体的特征参数有高度、宽度、横截面积、基准线倾斜度、胶型倾斜度、轮廓形状，且根据实际情况进行确定。

S5.扫描实际涂胶工件

逻辑处理与存储单元开始进行正式工件的胶型检测，下发指令给运动计算与控制单元和末端扫描单元，进行一次全面扫描，记录所有的扫描图像，作为胶条的实际值。

末端扫描单元中，线阵扫描激光传感器可以扫描得到胶型截面的二维图像，如图4所示。末端扫描单元将图像发送到图形处理单元，进行图像处理与胶型截面判断。

S6.图像处理与判定

图形处理单元接收到胶型截面的扫描图像，首先通过步骤S3的校准参数，进行图像的投影校准，然后去除数据噪声，再进行特征识别，最后通过步骤S4设定的特征判断参数，进行特征判定，即判定胶型截面是否合格。

图像处理检测的过程如下：

a)图形投影校准

由步骤S5可得实际涂胶工件的扫描数据，把数据中每一帧截面图像的测量值与标准胶型的每一帧图像进行对比计算，得到末端扫描单元扫描角度的一组校准参数。

b)数据去噪

对激光传感器的距离数据进行中值滤波。对一个序列x_j(-∞<j<∞)进行滤波处理时，首先要定义一个长度为奇数M的窗口，M＝2N+1，N为正整数。对于某一待处理数据点x_i，其邻域窗口内的数据样本为x_i-N，…，x_i，…，x_i+N，其中x_i为位于窗口中心的数0据样本值。对这M个样本值按从小到大的顺序排列后，其中值，在i处的样值，便定义为中值滤波的输出值。对所有的数据点进行上述中值滤波操作；

c)特征识别

用最小二乘法求解基准线方程，得到基准线倾斜度；应用邻近像素点灰度差值的概念，利用移动的窗口在图像中计算灰度变化值，求出胶型的拐点；两个拐点之间的距离就是胶型宽度；用微元法计算胶型截面的近似面积；选取胶型曲线上最高点到基准线的距离作为胶型高度；提取胶型曲线的骨架并拟合得到胶型曲线的中轴线，计算其与基准线的角度，得到胶型倾斜度；建立缺陷数据集，使用U-net网络进行训练、预测，检测胶型曲线轮廓；

d)判定

把特征识别的结果与步骤S4设置的各项特征参数进行对比，若不符合要求，认为是胶型失效，并输出相应的报警信息。

S7.结果管理与存储

在系统运行过程中，逻辑处理与存储单元需要进行结果管理与存储，完成以下功能：

a)存储每一类标准工件中的轨迹序列、扫描序列信息；

b)存储每个实际工件的扫描结果；

c)计算实际工件的扫描结果并存储判断结果。其中，误判工件可手动调整存储为合格产品。

以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种胶型检测扫描系统，其特征在于，包括：机器人单元、末端扫描单元、运动计算与控制单元、图形处理单元、逻辑处理与存储单元，其中，

机器人单元，其能够进行六自由度运动；

末端扫描单元，其设置在机器人单元的末端，并包括：

旋转电机，

安装至旋转电机的线阵扫描激光传感器，线阵扫描激光传感器用于采集实际胶型截面和基准胶型截面，和

安装至旋转电机的涂胶头；

运动计算与控制单元，其进行机器人单元的运动的控制和对旋转电机的运动角度的控制；

图形处理单元，其对实际胶型截面进行处理，以判断对阵扫描激光传感器采集的胶型截面是否合格；

逻辑处理与存储单元，其用于控制胶型检测扫描系统的运行，存储线阵扫描激光传感器采集的胶型截面和图形处理单元的判断结果。

2.根据权利要求1所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，涂胶头穿过旋转电机中部的穿孔而与旋转电机固连，线阵扫描激光传感器与电机外圈固连。

3.根据权利要求1所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，线阵扫描激光传感器包括线阵激光发射器和对称地位于线阵激光发射器两侧的成像单元。

4.根据权利要求1所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，运动计算与控制单元采集机器人单元的示教轨迹或工件三维图，以生成涂胶头的基准运动轨迹。

5.根据权利要求4所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，运动计算与控制单元用于根据涂胶头的基准运动轨迹和线阵扫描激光传感器用于采集胶型截面结构进行计算，获得旋转电机的旋转角度序列。

6.根据权利要求1所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，图形处理单元对线阵扫描激光传感器采集的胶型截面进行处理，包括如下步骤：

根据基准胶型截面对线阵扫描激光传感器采集的胶型截面的投影进行校准，

对校准结果去除噪声，

对去除噪声的校准结果进行特征识别，在线阵扫描激光传感器采集的胶型截面与基准胶型截面之间的偏差在预定范围内的情况下，判断线阵扫描激光传感器采集的胶型截面合格，否则判断线阵扫描激光传感器采集的胶型截面不合格。

7.根据权利要求1所述的胶型检测扫描系统，其特征在于，逻辑处理与存储单元记录标准胶型的扫描结果作为基准胶型截面，与采集的实际胶型进行对比，得到扫描角度的校准参数。

8.一种使用权利要求1至7中任一项的胶型检测扫描系统进行胶型检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获得胶条的基准运动轨迹，

获得末端扫描单元的旋转序列，

获得标准工件胶型，并计算校准参数，

末端扫描单元对实际涂胶工件进行扫描，以及

图形处理单元判定胶型截面是否合格。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过如下方法获得末端扫描单元的旋转序列：

设待涂胶位置的位置坐标为(x_n,y_n,z_n)，以此点为中心求得半径r＝d的球函数为：

(x-x_n)²+(y-y_n)²+(z-z_n)²＝d²

其中，x_n,y_n,z_n是基准运动轨迹的位置坐标，d为线阵扫描激光传感器与涂胶头之间的距离，

将上述球函数与S(x,y,z)＝0组成方程组，求得当前扫描位置为(x_d,y_d,z_d),

由Q(x,y,z)求得当前扫描方向的单位向量(p_d,q_d,r_d)，作为当前扫描单元需要的旋转法向量，

以末端扫描单元初始位置的法向量与当前扫描方向(p_d,q_d,r_d)的水平夹角作为此帧的旋转角度θ_i，则可得到旋转角度序列θ₀-θ_e。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下方法计算校准参数：

a)设第一帧数据为M₀，一直到结束为M_e，控制末端扫描单元的旋转序列角度为θ₀-θ_e；

b)对胶条进行图像处理，提取特征得到标准胶条第i帧的标准高度H_i和标准宽度D_i；

c)每一帧的实际高度为h_i，实际宽度为d_i，设在标准胶条中，每一帧的参数集合对应为P₀-P_e，集合的定义为P_i＝{P_h,P_d}，其中P_h＝H_i/h_i，P_d＝D_i/d_i；

d)由射影定理可得标准扫描截面与第i帧截面的角度误差，h_i ²＝x·H_i，求得x＝h_i ²/H_i，进一步可得θ＝arccos x/h_i。

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