姜威，高勇，秦子銘，劉健華

（廣汽本田汽車有限公司總裝部，廣東 廣州 510700）

前言

汽車總裝車間主要功能是整車裝配，裝配零件多、形狀各異、功能不同，而生產(chǎn)工位總是處于流水線移動狀態(tài)下，使得總裝車間采用自動化設(shè)備代替人工作業(yè)難度較大，尤其對一些品質(zhì)管理要求高或者安裝精度高的作業(yè)項目。

視覺識別、視覺引導等機器視覺技術(shù)和傳感器技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)迅速發(fā)展。隨著人力成本日益高漲，總裝領(lǐng)域?qū)胱詣踊O(shè)備的需求日趨緊迫，汽車裝配作業(yè)自動化的趨勢日益明顯。

汽車車載線束是汽車總線的主要實物載體之一。車載ECU通過控制線束上的繼電器的通斷[1]，實現(xiàn)汽車主要的電氣控制功能。比如大燈、剎車油泵等?，F(xiàn)階段，總裝車間采用人手將繼電器按壓到線束的繼電器插槽中。

1 繼電器安裝現(xiàn)狀

繼電器是整車機能的重要部件，安裝規(guī)格要求很高。

繼電器和線束上繼電器插槽需要完全貼合。某車廠所有的繼電器安裝時手感壓入的壓力在60～80N之間，繼電器插針插入到槽位的插入量在 15±1mm，長時間作業(yè)會引起作業(yè)人員按壓的手部勞損?？傃b裝配節(jié)拍50.1s，不同車型機艙線束需要安裝的繼電器數(shù)量在12～20顆不等，手安裝單顆繼電器人時間為3.6s，為降低手動安裝漏裝風險，單一線束繼電器設(shè)置多人、多崗安裝。繼電器零件在包裝、運輸和安裝過程中需要被嚴格保護好[2]，保證繼電器零件品質(zhì)穩(wěn)定。

圖1 車載線束

圖2 繼電器安裝到線束上

2 電器自動安裝的難點

基于人手安裝線束繼電器的現(xiàn)狀，總結(jié)出某車廠繼電器安裝的主要難點有以下幾個方面：

2.1 繼電器零件物流過程中質(zhì)量管控難點

機艙線束繼電器屬于品質(zhì)管理要求高的精密電器件，整個物流過程中需要嚴格控制繼電器的狀態(tài)，以杜絕繼電器零件被物流過程不良隱患。具體表現(xiàn)在，繼電器安裝到線束上繼電器槽位之前，繼電器受到外力沖擊（如跌落地面）和擠壓（如繼電器堆積），該繼電器報廢處理。此外，物流過程中還需要保證繼電器針腳無灰塵，無變形。

圖3 繼電器零件物流過程

圖4 繼電器到作業(yè)現(xiàn)場四種包裝狀態(tài)

2.2 繼電器安裝規(guī)格區(qū)分難點

某車廠各車型機艙線束所需安裝的繼電器種類有 7種（有2種繼電器顏色相同，共6種顏色），外形和尺寸相仿，與之對應的線束上多個繼電器槽位相互之間也相仿，人手作業(yè)時，就存在容易錯裝的課題。自動安裝時，如何保證相應規(guī)格繼電器被正確抓取和安放到線束上正確的槽位上，需要有完善的保證方案。

2.3 繼電器安裝節(jié)拍難點

如上文所述，現(xiàn)狀單一線束繼電器最大數(shù)量20顆。在繼電器自動化安裝項目論證期，模擬驗證投放和整理線束時間約 20s，按照現(xiàn)有總裝節(jié)拍設(shè)定，即單條線束繼電器自動安裝最多 30s，折合單顆繼電器安裝需要時間≤1.5s。1.5s時間內(nèi)完成繼電器抓取、安裝、狀態(tài)判斷，這種節(jié)拍強度相對繼電器安裝而言，實現(xiàn)難度較大。

2.4 繼電器安裝的精度方面難點

機艙線束繼電器槽位長邊（5.15±0.1mm），窄邊（1.025±0.1mm），繼電器插針長邊（4.8±0.1mm），窄邊（0.8±0.1mm），繼電器四根插針和槽位的四個插孔需要在（X-Y-Z-RXRY-RZ）六個維度高度吻合，否則會出現(xiàn)繼電器無法插入到槽位中。

圖5 繼電器安裝和安裝槽位

槽位定位的精度方面的難點具體體現(xiàn)在：①線束上的槽位盒外形不規(guī)則，沒有定位工藝參照，定位困難。②多車性共線生產(chǎn)，定位機構(gòu)即要考慮單車型的穩(wěn)定性，也需要兼顧多車性的通用型。③并且線束外側(cè)屬于外觀件，外傷管理要求嚴格，不能有損傷。

2.5 繼電器安裝狀態(tài)管控的難點

安裝完成后繼電器插針的狀態(tài)難以目視確認。線束通電測試需要在整車出車后才能進行，如何判斷繼電器安裝完成后，安裝狀態(tài)是否良好，需要謹慎設(shè)置判斷參數(shù)，才能有效管控繼電器安裝的品質(zhì)。

能否解決以上五大方面的難點，是繼電器安裝能否實現(xiàn)自動安裝的必要條件。

3 繼電器自動安裝的實現(xiàn)方法

為解決上述難點問題，最終方案采用兩套 Delta并聯(lián)機器人和兩套視覺引導相機，以及必要的輔助機構(gòu)，在占用空間最小的情況下，實現(xiàn)了繼電器的自動安裝。實現(xiàn)方法介紹如下：

3.1 包裝標準化

電器供料包裝形式各異，大小不一，設(shè)計適合所有包裝的上料機構(gòu)不經(jīng)濟，且浪費現(xiàn)場空間。如何將多規(guī)格的來料包裝轉(zhuǎn)換成標準化的包裝，是自動化上料的基本條件。

如圖6所示，是一個繼電器轉(zhuǎn)換用標準托盤。將該托盤倒扣在繼電器包裝上，然后按照圖7所示將來料包裝上的繼電器轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換托盤上。

圖6 繼電器包裝轉(zhuǎn)換托盤

圖7 繼電器包裝轉(zhuǎn)換過程

3.2 視覺引導上料

繼電器轉(zhuǎn)換到標準包裝后，就可以進行繼電器的分揀上料過程。

視覺引導上料主要結(jié)構(gòu)有分揀機器人、2套視覺相機、繼電器輸送帶、繼電器料道，繼電器標準托盤。結(jié)構(gòu)分布圖如圖8。

圖8 繼電器視覺上料結(jié)構(gòu)分布圖

繼電器視覺引導上料分成三個步驟：

①種類識別。多種規(guī)格繼電器在循環(huán)輸送線上勻速移動，1#視覺相機根據(jù)顏色不同，判斷、輸出繼電器種類號。見圖9。

圖9 繼電器種類識別示意圖

②視覺定位。視覺相機進行視覺定位引導時，為了避免成像時的陰影干擾，不同顏色的繼電器設(shè)置不同的曝光值，且曝光值差異較大。不同曝光值[3]的視覺引導程序段的切換時間約200ms，導致供料節(jié)拍不滿足，該問題采用下述方法進行優(yōu)化。

設(shè)置兩套相機器，分別為1#相機和2#相機，見圖10，將6種繼電器顏色根據(jù)曝光值分成兩組，1#相機對應曝光值接近的兩種繼電器，2#相機對應另外四種曝光值接近的繼電器，由于每組繼電器相機曝光值比較接近，采取折中設(shè)置一個曝光值，即取消不同曝光值程序的切換時間。

圖10 繼電器視覺識別示意圖

③引導機器人。完成第②步后，一次輸出6顆繼電器的定位置給機器人，機器人根據(jù)位置序列逐一抓取目標繼電器至對應規(guī)格繼電器滑道中，見圖11。

圖11 視覺引導機器人抓取繼電器

視覺引導上料，上料過程無沖擊，保證繼電器品質(zhì)穩(wěn)定。速度快，節(jié)省工序節(jié)拍成本。

3.3 并聯(lián)機器人執(zhí)行繼電器壓裝

單一繼電器完成安裝，必須要有上料和安裝2個階段，為了滿足繼電器壓裝的節(jié)拍要求，將繼電器的上聯(lián)和安裝設(shè)計成并聯(lián)的2個過程。

2#機器人將繼電器分揀放到繼電器滑道中后，在氣缸作用下滑道出口側(cè)傾斜，繼電器靠重力滑移到料道出口。1#機器人從料道的出口中抓取繼電器，將繼電器安裝到插槽中。

滑道的作用將繼電器的上料和安裝進行物理隔離，上料和安裝被分割成了2個相互之間不干涉的并行過程[4]，有利于提高安裝節(jié)拍。這種方案下，可以適當降低繼電器安裝1#機器人的速度，減少并聯(lián)機器人高速動作過程的振動[5]，利于保證繼電器安裝的精度。安裝過程示意見圖12。

圖12 繼電器壓裝過程示意圖

3.4 繼電器槽位的定位

槽位定位方式主要考慮的是定位精度、便利性和經(jīng)濟性。該方案中，通過定位夾具將安裝槽位定位夾緊。

圖13 繼電器槽位定位機構(gòu)示意圖

該定位夾具設(shè)計的優(yōu)點有兩個：1）定位夾具和夾具承載板采用膨脹結(jié)構(gòu)，輕微松動和擰緊螺栓就可以實現(xiàn)夾具的快速拆裝，由于螺紋的自鎖效應，夾具定位牢固可靠；2）彈簧作用下，承載底板貼近機架上的限位板，限位板呈喇叭狀，在員工作業(yè)位置時，定位夾具被彈簧推到喇叭口兩側(cè)，為員工投入線束零件騰出空間，夾具機構(gòu)進入安裝位置時，左右兩側(cè)的限位槽距離收窄，彈簧彈力增大，將承載底板緊貼限位板，現(xiàn)場測試定位夾具重復精度在±0.1mm。

圖14 定位夾具和承載板連接示意

3.5 繼電器安裝狀態(tài)的監(jiān)控

主要監(jiān)控繼電器按壓時的壓力和按壓進入插槽的位移量。

在繼電器壓入頭位置集成ATI壓力傳感器[6]，選型時需要重點考慮通訊方式和數(shù)據(jù)通訊頻率。壓力傳感器集成到機器人系統(tǒng)中，而不是PLC中，起到提升安裝過程中壓力反饋和機器人安裝協(xié)同速度的作用。

采集機器人在Z軸方向位置數(shù)據(jù)。實現(xiàn)方法是采集機器人安裝原點位置數(shù)據(jù) Z1和安裝完成位置數(shù)據(jù) Z2，δ=Z2-Z1即為繼電器壓入位移，實現(xiàn)繼電器安裝壓力位移監(jiān)控。

圖15 繼電器安裝狀態(tài)監(jiān)控相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖16 繼電器安裝監(jiān)控原理示意

根據(jù)實際工藝設(shè)定，繼電器壓力監(jiān)控合理范圍P1～P2，位移合理范圍是S±1.0mm。

每顆繼電器安裝完成后，即時顯示繼電器安裝的壓力和位移數(shù)據(jù)到監(jiān)控畫面上，便于現(xiàn)場作業(yè)人員確認，該數(shù)據(jù)會自動轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫。

圖17 繼電器安裝監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)控畫面

3.6 整體流程

繼電器安裝是從線束投入開始的。線束投入設(shè)置了防錯功能。利用掃描器掃描線束上的零件號，從工廠IT系統(tǒng)自動獲取的車身號，利用正則表達式[7]進行防錯匹配，匹配成功輸出機器人啟動的條件。

設(shè)備的整體的整體結(jié)構(gòu)和安裝流程如下：

圖18 繼電器自動安裝設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

圖19 繼電器安裝流程

4 結(jié)論

項目實施前，通過試制的X-Y-Z伺服機構(gòu)進行安裝模擬，論證繼電器的抓取和按壓的可行性。

基于對機器人和視覺技術(shù)的使用和積累，從供料、安裝和數(shù)據(jù)追溯這三個大的方面布局，每個方面嚴格從品質(zhì)和規(guī)格滿足性、作業(yè)便利性、節(jié)拍滿足性、安全性、投入經(jīng)濟性五大維度進行了考慮。首次實現(xiàn)了汽車裝配領(lǐng)域線束繼電器高節(jié)拍、高精度自動安裝。