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倒車后霧燈CMOS亮度檢測及裝配智能設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計

2021-11-23 08:02:48曹先雷
機(jī)電工程技術(shù) 2021年10期
關(guān)鍵詞:霧燈偏移量透氣

曹先雷

(廣州維思車用部件有限公司,廣州 510460)

0 引言

汽車燈具是汽車安全行駛的關(guān)鍵配置[1],采用先進(jìn)的制造工藝與裝備是汽車燈具實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑。因此研究汽車燈具的制造工藝及其裝備具有重要的意義。

倒車后霧燈是汽車燈具大家族中的一員,有的工廠制造工藝不夠先進(jìn),在檢測裝配過程中存在諸多問題:(1)PCBA來料存在端子變形大的不良品,在檢測過程中,人工將端子插入線束插頭,由于線束插頭易磨損,因此不能準(zhǔn)確判定端子偏移量是否合格;(2)采用人工目測發(fā)光亮度存在檢測標(biāo)準(zhǔn)把握上的差異,容易造成誤判;(3)人工裝配透氣帽勞動強(qiáng)度大,并且由于人手壓入力的大小憑感覺不易準(zhǔn)確控制,造成透氣帽裝配不到位,影響密封性。

針對以上問題,國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。國內(nèi)一種基于電流檢測的車燈成品測試系統(tǒng)[2]的特點(diǎn)是通過測量電流的大小來判定車燈成品是否為合格品;測試效率高,測試節(jié)拍只有十幾秒。當(dāng)前,隨著自動化檢測技術(shù)的深入發(fā)展,通過機(jī)器視覺檢測光亮度的方法成為了研究熱點(diǎn)[3-5]。采用機(jī)器視覺檢測零件外觀缺陷成為重要的質(zhì)量檢測方法[6]。采用自動裝配技術(shù)代替人工組裝近年來逐漸成為行業(yè)研究重點(diǎn)[7]。以上研究主要針對某個問題點(diǎn)提出了解決方案,對于汽車燈具檢測裝配的綜合性問題沒有提出解決方案。

綜上分析,本文采用系統(tǒng)分析法[8]進(jìn)行整體設(shè)計,引用模塊化設(shè)計思想[9]進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,設(shè)計了一臺倒車后霧燈機(jī)器視覺亮度檢測及透氣帽裝配智能設(shè)備。通過實際驗證,解決了倒車后霧燈檢測裝配的綜合性問題。

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

(1)生產(chǎn)節(jié)拍:28 s/件。

(2)零件定位精度:X、Y方向小于或等于±0.1 mm。

(3)端子允許偏移量:長度X方向小于或等于±0.15 mm,寬度Y方向小于或等于±0.25 mm。

(4)工業(yè)相機(jī)分辨率:500萬像素。

(5)透氣帽壓裝位置精度:小于或等于±0.2 mm。

1.2 設(shè)計方案對比

倒車后霧燈產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。根據(jù)倒車后霧燈安裝與配光性能國家標(biāo)準(zhǔn)[10-12]的要求,需檢測燈具發(fā)光強(qiáng)度。由于光的強(qiáng)度越大,亮度也越大;亮度與強(qiáng)度成相對正比關(guān)系,因此通過使用機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測光亮度來判定發(fā)光強(qiáng)度是否合格。其光亮度計算公式為:

圖1 A霧型燈倒外車觀后

圖2 A型倒車后霧燈 端子放大圖

式中:L為光亮度;ρ為發(fā)光面的漫反射系數(shù);E為照度。

由國標(biāo)確定工業(yè)相機(jī)攝像方向應(yīng)與燈具LED燈珠安裝面垂直。通過分析評估,擬定了兩個方案。

(1)方案一

采用零部件六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)給,機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測外觀、功能自動檢測、自動裝配方法完成作業(yè)任務(wù),減少人工操作。通過柔性檢測裝置檢測端子偏移量。通過機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測光亮度。采用氣缸壓裝2個透氣帽。產(chǎn)品檢測合格后,氣動刻印追溯碼。由六軸工業(yè)機(jī)器人抓取倒車后霧燈并移送至相機(jī)視野范圍內(nèi),再翻轉(zhuǎn)倒車后霧燈,同時相機(jī)拍照檢測倒車后霧燈每個面的外觀是否合格。六軸工業(yè)機(jī)器人將合格品包裝好放入包裝箱。當(dāng)過程出現(xiàn)不良品時,設(shè)備發(fā)出報警信息,由六軸工業(yè)機(jī)器人取出不良品放入不良品箱。

(2)方案二

采用零部件人工進(jìn)給、人工檢測外觀、功能自動檢測、自動裝配[13]方法完成作業(yè)任務(wù),使人機(jī)協(xié)作達(dá)到平衡。經(jīng)過分析,選擇以燈殼底面作為水平定位基準(zhǔn)面,則相機(jī)安裝基準(zhǔn)面與水平定位基準(zhǔn)面的角度為31°,相機(jī)鏡頭距離倒車后霧燈燈罩頂面280 mm,如圖3所示。根據(jù)機(jī)器視覺檢測要求,應(yīng)將倒車后霧燈放置于暗室內(nèi)檢測光亮度,因此相機(jī)安裝組件固定在保護(hù)罩內(nèi),并設(shè)計一個直線傳送機(jī)構(gòu),先將倒車后霧燈通過工裝定位夾緊,再通過直線傳送機(jī)構(gòu)移送至保護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行檢測與裝配。

圖3 A型倒車后霧燈光亮度檢測

設(shè)備采用PLC進(jìn)行電氣控制,采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面。根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)要求,需配置工控機(jī)[14]1臺及顯示器1臺。以壓縮空氣作為動力源,使用電磁閥控制氣缸完成動作指令。

主要過程方法:通過柔性檢測裝置檢測端子偏移量;通過CMOS視覺系統(tǒng)檢測光亮度。采用氣缸壓裝2個透氣帽,使用光電傳感器檢測透氣帽壓裝到位。產(chǎn)品檢測合格后,氣動刻印追溯碼。

方案一由于倒車后霧燈表面有劃傷時,屬于外觀不良品;經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)不能有效地識別出劃傷部位,因此對產(chǎn)品外觀質(zhì)量造成隱患。同時采用六軸工業(yè)機(jī)器人成本高。綜合考慮設(shè)備可靠性、通用性、可操作性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性等要求,選擇方案二。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)備總成圖如圖4所示,由機(jī)架1、裝配檢測機(jī)構(gòu)3、裝配檢測工裝4組成。裝配檢測機(jī)構(gòu)3包括直線傳送機(jī)構(gòu)2、相機(jī)傾斜安裝組件6、相機(jī)組件7、打標(biāo)機(jī)構(gòu)8。裝配檢測工裝4固定在直線傳送機(jī)構(gòu)2上。機(jī)架1包括下機(jī)架9與保護(hù)罩5。

圖4 設(shè)備總成

2.1.2 設(shè)備工作原理

(1)整體工作原理

作業(yè)員取2個透氣帽目測外觀合格后放入裝配檢測工裝4內(nèi),2個激光傳感器檢測透氣帽有無。人工取前工序氣密性檢測合格品目測外觀合格后,放入裝配檢測工裝4內(nèi),2個光纖傳感器檢測燈殼組件放置到位。人工雙手觸摸光電按鈕,2個夾緊氣缸夾緊燈殼組件,位移氣缸將裝配檢測工裝4推入保護(hù)罩5內(nèi)由鎖軌氣缸定位好。

氣缸動作,設(shè)備檢測端子偏移量。分別點(diǎn)亮后霧燈、倒車燈,相機(jī)檢測燈具發(fā)光亮度;同時設(shè)備檢測電流大小。2個帶導(dǎo)桿氣缸上移,壓裝透氣帽,光電傳感器檢測透氣帽壓裝到位。檢測合格,打標(biāo)機(jī)構(gòu)8在倒車后霧燈后側(cè)刻印生產(chǎn)日期及版本碼。鎖軌氣缸復(fù)位,直線傳送機(jī)構(gòu)2復(fù)位。功能檢測合格品由人工確認(rèn)外觀合格后包裝好放入包裝箱。當(dāng)過程出現(xiàn)不良品時,設(shè)備發(fā)出報警信息,人工取出產(chǎn)品放入不良品箱。

(2)機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測方法

CMOS相機(jī)在拍攝照片時,取到燈具的光線進(jìn)入鏡頭,并通過鏡頭聚焦在光電傳感器上,光電轉(zhuǎn)換器件感光陣列和控制電路將圖像每行像素的光信號轉(zhuǎn)變成一一對應(yīng)的模擬電信號,模擬電信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列并行地轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號,并通過圖像處理技術(shù)存儲為工控機(jī)上的圖像文件。圖像處理軟件對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算,抽取燈具檢測區(qū)域內(nèi)的灰度分布、亮度和顏色等特征信息。

當(dāng)人觀察一個彩色物體時,用色調(diào)、飽和度、亮度來描述物體的顏色。HSI[15-17](Hue-Saturation-Intensity)顏色模型用H、S、I三參數(shù)描述顏色特性,其中H定義顏色的波長,稱為色調(diào);S表示顏色的深淺程度,稱為飽和度;I表示強(qiáng)度或亮度。根據(jù)人的視覺系統(tǒng)感知特點(diǎn),將HSI顏色模型應(yīng)用到機(jī)器視覺檢測中,通過檢測色調(diào)H、飽和度S來判定顏色是否合格。通過檢測亮度I來判定發(fā)光強(qiáng)度是否合格。將檢測值與標(biāo)準(zhǔn)范圍做對比,以判斷光亮度及顏色是否合格。圖5所示為光亮度視覺檢測圖像。

圖5 光亮度視覺檢測圖像

燈具光亮度的計算與提取方法:光亮度的提取通過像素點(diǎn)運(yùn)算來實現(xiàn)。點(diǎn)運(yùn)算即為灰度變換,將所拍攝的燈具發(fā)光圖像映射為輸出圖像,經(jīng)過運(yùn)算處理后的輸出圖像中每個像素點(diǎn)的灰度值由對應(yīng)的輸入像素點(diǎn)的灰度值決定,其輸入輸出在一定范圍內(nèi)成線性比例關(guān)系[18]。

2.2 模塊化重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備分為6個模塊,分別為裝配檢測工裝、直線傳送機(jī)構(gòu)、相機(jī)傾斜安裝組件、相機(jī)組件、打標(biāo)機(jī)構(gòu)、機(jī)架。

2.2.1 裝配檢測工裝設(shè)計

裝配檢測工裝的主要功能:檢測端子偏移量,點(diǎn)亮燈具,檢測電流,自動壓裝透氣帽。

裝配檢測工裝如圖6所示,包括端子偏移量檢測機(jī)構(gòu)1、透氣帽壓裝機(jī)構(gòu)2、定位檢測裝置3、夾緊機(jī)構(gòu)4、鎖緊旋鈕5、定位套6、公端電氣接插裝置7、定位底板8、把手9等零部件。

圖6 裝配檢測工裝結(jié)構(gòu)

(1)定位檢測裝置

定位檢測裝置的主要功能是對倒車后霧燈進(jìn)行定位,檢測透氣帽有無及透氣帽是否壓裝到位。

定位檢測裝置如圖7所示,包括支撐柱1、支撐板2、墊板3、定位夾具4、光纖傳感器5、接近開關(guān)6、激光傳感器7、光電傳感器8、導(dǎo)向軸9、底板10等零部件。

圖7 定位檢測裝置結(jié)構(gòu)

定位夾具4主要起定位作用,2個光纖傳感器5用于檢測殼體組件放置到位,2個激光傳感器7用于檢測透氣帽有無,2個光電傳感器8用于檢測透氣帽是否壓裝到位。接近開關(guān)6用于檢測端子是否插入偏移量檢測組件。

(2)端子偏移量檢測機(jī)構(gòu)

端子偏移量檢測機(jī)構(gòu)的主要功能是檢測端子偏移量,導(dǎo)通電路,使燈具點(diǎn)亮發(fā)光。其組成如圖8所示,包括底板1、氣缸2、直線軸承7、電檢浮動組件8等零部件。電檢浮動組件8由偏移量檢測組件11、感應(yīng)板6、彈簧9等組成。偏移量檢測組件11包括左檢測塊4、中檢測塊3、右檢測塊5、探針10等零部件。左檢測塊4、中檢測塊3、右檢測塊5根據(jù)端子偏移量均設(shè)置了1個檢測方孔;檢測方孔長度尺寸=端子長度尺寸+0.1 mm;檢測方孔寬度尺寸=端子寬度尺寸+0.2 mm。

圖8 端子偏移量檢測機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)2個氣缸2縮回時,檢測機(jī)構(gòu)上移,倒車后霧燈3個端子分別插入左檢測塊4、中檢測塊3、右檢測塊5的檢測方孔內(nèi)。當(dāng)接近開關(guān)檢測到感應(yīng)板6時,證明偏移量檢測組件11已插入到位,3支探針10與端子接觸,探針10壓縮1.5 mm,使電路形成閉合回路,施加DC13.5 V電壓,分別點(diǎn)亮后霧燈、倒車燈;同時設(shè)備檢測電流大小。當(dāng)端子偏移量超過公差范圍較小時,端子可以插入移量檢測組件11,由于端子與檢測方孔摩擦力增大,使彈簧9壓縮,偏移量檢測組件11不能正常插入到位,接近開關(guān)未檢測到感應(yīng)板6,設(shè)備報警。當(dāng)端子偏移量超過公差范圍較大時,端子不能插入偏移量檢測組件11,端子壓在檢測塊的端面,檢測機(jī)構(gòu)上的彈簧9壓縮使偏移量檢測組件11不能正常插入到位,接近開關(guān)未檢測到感應(yīng)板6,設(shè)備報警。2個氣缸2伸出,檢測機(jī)構(gòu)復(fù)位,直線傳送機(jī)構(gòu)復(fù)位。不良品由人工放入不良品箱并且處理完異常后方可生產(chǎn)。

(3)透氣帽壓裝機(jī)構(gòu)

透氣帽壓裝機(jī)構(gòu)的主要功能是定位并壓裝透氣帽。透氣帽壓裝機(jī)構(gòu)如圖9所示,包括底板1、帶導(dǎo)桿氣缸2、連接板3、固定板4、定位套5、感應(yīng)板6等零部件。

圖9 透氣帽壓裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

由定位套5將透氣帽定位準(zhǔn)確,當(dāng)帶導(dǎo)桿氣缸2上移時,透氣帽上移壓裝入燈殼組件。光電傳感器檢測到感應(yīng)板6時,輸出開關(guān)量信號1,確認(rèn)透氣帽已壓裝到位。當(dāng)光電傳感器未檢測到感應(yīng)板6時,輸出開關(guān)量信號0,設(shè)備報警,觸摸屏提示透氣帽未壓裝到位。

3 系統(tǒng)主要工作流程

系統(tǒng)主要工作流程如圖10所示。

圖10 主要工作流程

4 驗證與結(jié)果分析

根據(jù)上述理論,制造完成了1臺倒車后霧燈機(jī)器視覺亮度檢測及透氣帽裝配智能設(shè)備,圖11所示為設(shè)備實物。

圖11 設(shè)備實物

通過理論分析及對倒車后霧燈產(chǎn)品的試制與小批量生產(chǎn)驗證確認(rèn),該設(shè)備達(dá)到了設(shè)計參數(shù)要求,結(jié)果表明:

(1)當(dāng)端子偏移量超出公差范圍時,彈簧壓縮,使偏移量檢測組件不能正常插入到位,由傳感器檢測位置狀態(tài),從而判定端子偏移量不良;

(2)通過HSI機(jī)器視覺檢測方法可以準(zhǔn)確檢測燈具發(fā)光亮度及顏色;

(3)采用氣缸壓裝透氣帽,實際裝配尺寸精度為±0.15 mm,同時減輕了人工勞動強(qiáng)度;

(4)通過傳感器可以進(jìn)行過程檢測及質(zhì)量檢測,當(dāng)某個任務(wù)報警時,設(shè)備不進(jìn)行下一步動作。

該設(shè)備解決了產(chǎn)品功能檢測與透氣帽裝配的綜合性問題,提升了產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文提出的倒車后霧燈端子偏移量檢測、CMOS亮度檢測及透氣帽裝配等方法經(jīng)過了生產(chǎn)檢驗,得出以下結(jié)論。

(1)設(shè)計要注重人機(jī)關(guān)系,做到生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與成本的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。機(jī)器不能勝任的工作由人工完成;人工不易保證產(chǎn)品質(zhì)量的、生產(chǎn)效率低下的工作由機(jī)器完成,合理使用傳感器進(jìn)行制造過程確認(rèn)與品質(zhì)判定,使設(shè)備更加智能化。

(2)通過柔性檢測裝置可以檢測端子偏移量是否合格。

(3)CMOS視覺檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,HSI機(jī)器視覺檢測方法適用于燈具發(fā)光亮度檢測。

(4)采用氣動技術(shù)裝配車燈,簡單可靠,裝配精度高,生產(chǎn)一致性可以得到保障。

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