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★杭州海康機器人股份有限公司王春茂

1　背景

在工業(yè)自動化在高精度測量領域，3D線激光掃描測量技術憑借其非接觸、高精度、適用范圍廣等優(yōu)點，目前已經智能制造中廣泛使用。特別是在汽車汽配行業(yè)，產品質量和生產效率逐漸成為產品市場競爭力的關鍵因素。

傳統(tǒng)的單目3D激光輪廓傳感器是基于線激光三角測量法來重建三維場景的如圖1所示。通過向被測物表面投射激光線，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。通過被測物和激光輪廓傳感器之間的相對運動，對連續(xù)獲取的一組剖面輪廓高度數據來近似地重構出被測物的3D形狀，實現高精度測量及檢測。

圖1 三角測量原理示意圖

然而，當激光線運行路徑上存在遮擋物時，激光線無法進入成像光學系統(tǒng)，容易造成點云成像數據缺失，即盲區(qū)，對后續(xù)點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(wěn)定性要求高等問題。其次，在高反光材質的精密器件3D檢測任務中，因物體表面漫反射光線復雜，普通的3D激光輪廓傳感器通常無法準確提取到物體表面的點云數據。

汽車連接器PIN針檢測場景就面臨著上述檢測挑戰(zhàn)。其中，PIN針是連接器中用來完成電或信號的導電傳輸的一種金屬物質，主要功能是完成電或信號的導電傳輸。除車載使用的連接器外，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。汽車連接器如圖2所示。

隨著生產企業(yè)對質量的把控力度增加，PIN針檢測的需求也不斷增多。

圖2 汽車連接器示意圖

2　案例實施與應用

2.1　場景介紹

在汽車連接器生產過程中，PIN針的質量直接影響到連接器的功能和安全性。傳統(tǒng)的人工檢測方式存在效率低、易出錯等問題，難以滿足高精度、大批量生產的需求。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。

海康機器人的優(yōu)勢之一，就在于對特定場景開展軟硬件的綜合優(yōu)化，提供場景化定制的產品和方案。面向汽車連接器PIN針的檢測痛點，海康機器人推出了雙目單線激光輪廓傳感器搭載VM3D算法平臺的綜合方案，實現對汽車連接器PIN針的高精度、自動化檢測，大幅提升生產線的檢測能力和產品質量。方案已在多個終端用戶落地使用，大幅度提升了PIN針檢測項目的效率和檢測質量。

2.2　方案介紹

硬件部署方面，3D相機在檢測過程中一般為固定狀態(tài)，平移臺帶動樣品運動，實現目標區(qū)域掃描過程，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主要參考單輪廓點數、X/Z軸測量范圍、重復性精度和掃描幀率等參數。汽車連接器PIN針檢測項目中，采用海康機器人雙目單線激光輪廓傳感器，點云清晰細膩，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，海康機器人VM3D算法平臺軟件，共有超過70個以上的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，同時具備100多個2D算子輔助，可以實現“2D+3D+AI”的豐富功能。在汽車連接器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。基于相機采集的深度圖像，導入VM3D軟件中。主要通過灰度變換、高精度匹配、位置修正、基準矯正、統(tǒng)計測量、點面測量等工具，滿足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

自產品發(fā)布起，海康機器人汽車連接器PIN針檢測方案已被華東、華南等區(qū)域的眾多合作伙伴集成在智能檢測設備中，并在多家汽車電子用戶的產線上落地應用。同時，海康機器人也根據客戶的需求，客制化地開發(fā)了界面集成顯示畫面，如圖5所示，顯示歷史檢測數量、NG個數、NG原因分類、PIN針高度等關鍵指標，終端客戶可實時掌握生產質量情況。

圖5 界面顯示圖

3　應用創(chuàng)新

作為連接器生產制造中的關鍵工序，PIN針檢測工藝對于視覺系統(tǒng)有著如下技術要求。

（1）精度要求高：傳統(tǒng)PIN針歪斜檢測主要依靠人工觀察或者利用插排等工件測試，存在檢測效率低、精度無法滿足工業(yè)要求的問題。一般來說，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）產品種類多：出于降本考慮，許多檢測工位需要兼顧多種產品的檢測需求。由于連接器的材質、形態(tài)各異，對視覺系統(tǒng)的兼容性要求更高。

海康機器人充分調研客戶需求，設計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，雙目相機內部通過雙傳感器圖像融合，二者盲區(qū)互補，實現掃描方向上盲區(qū)消除。提升傳感器檢測精度，滿足不同的檢測需求。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(tǒng)雙相機對頭拼接架設消除盲區(qū)的方式，雙目單線激光輪廓傳感器可獨立實現此功能，同時不受外部拼接標定誤差影響，可進一步降低項目成本和項目實施復雜度，提升檢測精度。單頭輪廓儀和雙目單線輪廓儀成像對比示意圖如圖6所示。

（2）效果層面：1+1＞2

通過相機內置的對稱設計的圖像采集模塊，拍攝被測物表面的激光線，進而通過圖像處理，抑制雜光對點云提取的影響，相比雙相機對象拼接方案，進一步提升了點云數據的準確性和真實性。傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線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輪廓儀成像對比示意圖

圖7傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線傳感器對比示意圖

5　案例意義

在汽車行業(yè)中，連接器是汽車電子系統(tǒng)的重要零部件，連接器內部Pin針的質量直接關系到整個車輛電子系統(tǒng)的安全。海康機器人雙目單線激光輪廓傳感器與VM3D算法平臺在汽車連接器PIN針檢測中的成功應用，不僅提升了汽車制造業(yè)的產品質量和生產效率，也為其他高精度測量場景提供了可復制的技術方案。新技術能有效提升檢測效率和質量，進一步降低項目成本，助力終端用戶智能生產，高質量生產。

隨著工業(yè)4.0時代的到來，越來越多的制造企業(yè)需要通過自動化和智能化技術來提升生產效率，降低成本，保證產品質量。海康機器人通過不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，已經為汽車、汽配、3C電子等多個行業(yè)提供了高精度測量方案，推動質檢環(huán)節(jié)向智能化、高效化轉型，為產品品質保駕護航。

摘自《自動化博覽》2024年12月刊