安全氣囊柔性制造系統(tǒng)關(guān)鍵部件智能檢測(cè)單元

孫勤，吳陳釧，林瓊，陳哲希

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

隨著高速公路的發(fā)展和汽車(chē)性能的提高，汽車(chē)的行駛速度越來(lái)越快，特別是由于汽車(chē)擁有量的迅速增加，交通越來(lái)越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車(chē)的安全性就變得尤為重要［1］。安全氣囊是現(xiàn)代轎車(chē)上必備的安全技術(shù)裝置。為了減小汽車(chē)發(fā)生正面碰撞時(shí)由于巨大的慣性力所造成的對(duì)駕駛員和乘員的傷害，現(xiàn)代汽車(chē)在駕駛員前端方向盤(pán)中央普遍裝有安全氣囊系統(tǒng)，汽車(chē)在駕駛員副座前的工具箱上端也裝有安全氣囊系統(tǒng)。

汽車(chē)安全氣囊關(guān)鍵零部件稱(chēng)為引爆部件，是由金屬底盤(pán)和引爆器通過(guò)注塑機(jī)注塑封裝后取得。在引爆器與金屬底盤(pán)放入注塑機(jī)之前需要進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測(cè)?，F(xiàn)有檢測(cè)手段通常為人工進(jìn)行，難以保證引爆器與金屬底盤(pán)的質(zhì)量完全符合生產(chǎn)要求，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品合格率降低，增加了生產(chǎn)成本。

在構(gòu)建汽車(chē)安全氣囊柔性制造系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)安全氣囊引爆組件在放入注塑機(jī)前進(jìn)行檢查時(shí)，檢查效率低下，產(chǎn)品合格率不高，檢查速度慢等技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)一種汽車(chē)安全氣囊引爆組件智能檢測(cè)單元，采用自動(dòng)化機(jī)器人配合，對(duì)汽車(chē)安全氣囊引爆組件各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。

1 檢測(cè)要求

引爆器與金屬底盤(pán)，在放入注塑機(jī)之前需進(jìn)行質(zhì)量和外觀檢測(cè)，引爆器主要檢測(cè)引爆器的型號(hào)規(guī)格以及顏色、引爆器的Pin方向、引爆器的Pin質(zhì)量，不允許Pin歪斜、短缺;金屬底盤(pán)主要檢查金屬底盤(pán)的型號(hào)規(guī)格、金屬底盤(pán)底部質(zhì)量，金屬底盤(pán)定位口的方向。引爆器與金屬底盤(pán)如圖1、圖2所示。

圖1 引爆器示意圖

圖2 金屬底盤(pán)示意圖

2 檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)要求和功能的不同，將單元設(shè)計(jì)分為多個(gè)部分進(jìn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含了一個(gè) PLC主站，兩個(gè)從站，從站與主站間通過(guò)以太網(wǎng)通信。

2.1 引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)

為了對(duì)引爆器進(jìn)行外觀與Pin方向的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一個(gè)引爆器排隊(duì)、分離、定位機(jī)構(gòu)，其主要由引爆器振動(dòng)盤(pán)，直線輸送器和安裝了多種傳感器的氣動(dòng)分離排隊(duì)機(jī)構(gòu)組成。

將引爆器加入振動(dòng)盤(pán)中，振動(dòng)盤(pán)可通過(guò)巧妙的機(jī)械運(yùn)動(dòng)保證引爆器以正確的Pin朝向進(jìn)入直線輸送器，直線輸送器將引爆器送入氣動(dòng)分離排隊(duì)機(jī)構(gòu)。

氣動(dòng)排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)的排隊(duì)分離功能由5個(gè)帶氣爪的氣動(dòng)元件完成，通過(guò)5個(gè)氣動(dòng)元件將分離機(jī)構(gòu)分成3個(gè)位置，在3個(gè)位置上分別安裝了相應(yīng)的傳感器。位置1安裝了用于判別顏色的RGB傳感器，位置2安裝了檢測(cè)引爆器存在的光電反射傳感器，位置3安裝了兩對(duì)判別引爆器存在和Pin方向的光纖傳感器。

考慮到注塑引爆器顏色要求變更的問(wèn)題，特別選用KEYENCE公司的CZ－H37S型RGB傳感器。據(jù)文獻(xiàn)［2］所述，該傳感器具有四個(gè)獨(dú)立輸出，能同時(shí)保存四種物體的數(shù)據(jù)并能夠?qū)γ總€(gè)物體進(jìn)行分別設(shè)置和輸出。如此便可保存引爆器的顏色數(shù)據(jù)，根據(jù)總控信號(hào)自動(dòng)切換檢測(cè)顏色。

同引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)控制相關(guān)的I/O、閥島接入從站1，由1734從站模塊與PLC通信實(shí)現(xiàn)引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)的功能。氣動(dòng)排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 氣動(dòng)排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)

根據(jù)安全氣囊用途和適用對(duì)象的不同，金屬底盤(pán)的大小形狀也各有不同，按照工藝要求把金屬底盤(pán)分為10個(gè)型號(hào)。

依據(jù)以上情況，我們采用了活動(dòng)式料庫(kù)的解決方法。在料庫(kù)內(nèi)部安裝活動(dòng)式料框，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)料框托盤(pán)上下移動(dòng)，裝入金屬底盤(pán)后即可實(shí)現(xiàn)金屬底盤(pán)的上升下降。托盤(pán)上升下降的限位由安裝于料庫(kù)頂部和底部的反射光電傳感器決定，一旦托盤(pán)到達(dá)指定位置傳感器信號(hào)發(fā)生變化立即停止電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)使用Haydon公司的DCM8055高性能細(xì)分驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，據(jù)文獻(xiàn)［3］所述，該驅(qū)動(dòng)器具有14種十進(jìn)位和二進(jìn)位的分辨率可供選擇，調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)即可改變電機(jī)傳動(dòng)速度。

一種活動(dòng)料框僅適合于一種或二種金屬底盤(pán)，料框內(nèi)含有相應(yīng)的定位工裝來(lái)保證料框中的金屬底盤(pán)都為同一個(gè)方向。料框底部是通過(guò)四個(gè)定位插銷(xiāo)固定在料庫(kù)下托板上的，更換金屬底盤(pán)型號(hào)時(shí)，只需打開(kāi)頂部面板，提起當(dāng)前料框換入相應(yīng)料框即可。

同金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)控制相關(guān)的I/O接入從站2，由1734從站模塊與PLC通信實(shí)現(xiàn)金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)的功能。

2.3 整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)

整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)是測(cè)試引爆器與金屬底盤(pán)的最后一個(gè)工位，通過(guò)該機(jī)構(gòu)的檢測(cè)和位置限定，引爆器和金屬底盤(pán)就可用于注塑機(jī)上料等工序。

整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)分為引爆器準(zhǔn)備工裝、金屬底盤(pán)準(zhǔn)備工裝。

引爆器準(zhǔn)備工裝依靠引爆器定位插口和對(duì)射光電傳感器測(cè)定引爆器是否已經(jīng)插入，插入成功時(shí)光電傳感器會(huì)產(chǎn)生信號(hào)變化，同時(shí)壓力傳感器進(jìn)行Pin缺失的檢查，引爆器完全插入定位孔，可以密封孔腳，壓力傳感器可以檢測(cè)到明顯的壓力升高，若Pin彎曲或是缺失，壓力不會(huì)升高，壓力傳感器檢測(cè)不通過(guò)。引爆器全部檢測(cè)通過(guò)后即為合格。

金屬底盤(pán)準(zhǔn)備工裝存在4個(gè)定位空腔，其形狀和大小是按照不同型號(hào)金屬底盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，一種金屬底板準(zhǔn)備工裝通常只對(duì)應(yīng)1或2種型號(hào)的金屬底盤(pán)。定位空腔有定位銷(xiāo)來(lái)限定方向，空腔的底部安裝了按壓光電傳感器，金屬底盤(pán)放置方向正確且底部沒(méi)有缺陷時(shí)恰好能按住光電傳感器，使其產(chǎn)生信號(hào)變化，這時(shí)視之為合格的金屬底盤(pán)。

整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)的I/O全部接入機(jī)器人，由機(jī)器人直接控制。整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 工業(yè)高精度機(jī)器人

在本系統(tǒng)中，選用了FANUC公司的Mate－200iC機(jī)器人作為串聯(lián)整套系統(tǒng)的核心硬件。如文獻(xiàn)［4］所述，該型號(hào)機(jī)器人為6自由度中小型機(jī)器人，臂長(zhǎng)704mm，最高運(yùn)行速度4000mm/s，手臂負(fù)重5 kG，重復(fù)定位精度±0.02 mm，足以勝任引爆器金屬底盤(pán)的抓取放置工作。

機(jī)器人采用了4手爪設(shè)計(jì)，手爪有兩種尺寸，一種用于伸入分離機(jī)構(gòu)抓取引爆器，一種用于伸入料庫(kù)抓取金屬底盤(pán)，兩者不能通用。在每個(gè)手爪上都安裝了用于檢測(cè)手爪開(kāi)閉的光電傳感器，信號(hào)直接進(jìn)入機(jī)器人，機(jī)器人可通過(guò)信號(hào)判斷當(dāng)前手爪狀態(tài)。

機(jī)器人所需完成的工作是根據(jù)分離機(jī)構(gòu)狀態(tài)抓取引爆器，根據(jù)料庫(kù)狀態(tài)抓取金屬底盤(pán)，判斷整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)的狀態(tài)并根據(jù)狀態(tài)將手爪上的金屬底盤(pán)和引爆器放置到整備測(cè)試工裝機(jī)構(gòu)上，自行剔除不合格的金屬底盤(pán)和引爆器。

2.5 PLC總控系統(tǒng)與人機(jī)界面

控制PLC采用了AB公司的 ControlLogix 1756，ControlLogix 1756上插有用于通信的ENET模塊、devicenet模塊及一些I/O模塊。I/O模塊控制各個(gè)安全門(mén)、加料門(mén)的上鎖開(kāi)鎖與指示燈蜂鳴器的狀態(tài)變化。ENET模塊用于與1734從站1、1734從站2、人機(jī)界面進(jìn)行信息交互。DeviceNet模塊與機(jī)器人的DeviceNet模塊直接連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)的采集和對(duì)機(jī)器人的操作。

人機(jī)界面采用了PanelView工業(yè)觸摸屏，觸摸屏不僅可包含大量的控制信息、使各項(xiàng)操作鍵及狀態(tài)顯示布置得更為合理，同時(shí)也可增強(qiáng)操作的邏輯性和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的直觀性［5］。人機(jī)界面使用ENET與PLC通信，人機(jī)界面可以控制整個(gè)系統(tǒng)的功能啟動(dòng)、停止，還能單獨(dú)控制引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)氣爪的伸出縮回、金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)電機(jī)的上升下降、運(yùn)行FANUC機(jī)器人的各種功能、解鎖上鎖各個(gè)安全門(mén)等，從人機(jī)界面上還可以看到各個(gè)機(jī)構(gòu)甚至各個(gè)傳感器的狀態(tài)。

3 檢測(cè)單元的控制設(shè)計(jì)

依據(jù)控制要求，PLC控制中樞對(duì)于引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)、金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)、機(jī)器人的控制是分開(kāi)的，三者皆可獨(dú)立運(yùn)行。

3.1 引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)的控制

引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)與PLC之間通過(guò)從站1進(jìn)行通信，PLC主要采集的信息有振動(dòng)盤(pán)的開(kāi)閉狀態(tài)、各氣動(dòng)元件當(dāng)前狀態(tài)、各傳感器目前信號(hào)。PLC可以通過(guò)從站1輸出振動(dòng)盤(pán)的開(kāi)閉信號(hào)控制振動(dòng)盤(pán)的電源，接通閥島上的某個(gè)電磁閥使相應(yīng)的氣動(dòng)元件動(dòng)作。

引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)的狀態(tài)判斷和動(dòng)作決策完全由PLC完成。

引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)的正常控制流程:將引爆器加入振動(dòng)盤(pán)，振動(dòng)盤(pán)將引爆器以相同Pin方向?qū)⒁魉腿胫本€輸送器，之后進(jìn)入引爆器分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。首先進(jìn)入位置3，位置3檢測(cè)到引爆器存在之后啟動(dòng)顏色傳感器檢測(cè)引爆器顏色，PLC記錄結(jié)果輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)元件連續(xù)運(yùn)動(dòng)將引爆器送入位置2，確認(rèn)位置3為空時(shí)，引爆器進(jìn)入位置3，檢測(cè)引爆器是否存在及Pin方向是否正確，結(jié)果進(jìn)入PLC，PLC綜合檢測(cè)的結(jié)果決定引爆器是否合格，將判斷結(jié)果傳給機(jī)器人。

3.2 金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)的控制

金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)與PLC之間通過(guò)從站2進(jìn)行通信，PLC主要采集的信息有電機(jī)當(dāng)前前進(jìn)方向，加料門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，各傳感器目前信號(hào)。PLC可以通過(guò)從站2輸出開(kāi)閉信號(hào)控制加料門(mén)的開(kāi)閉，輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電機(jī)啟動(dòng)停止與正反轉(zhuǎn)。

PLC綜合所有傳感器的信息判斷料庫(kù)當(dāng)前狀態(tài)，決定電機(jī)啟動(dòng)停止或正反轉(zhuǎn)。

正常的控制邏輯:PLC檢測(cè)料庫(kù)口、料庫(kù)頂、料庫(kù)底3對(duì)傳感器信號(hào)，都無(wú)信號(hào)時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)托盤(pán)上升;料庫(kù)口有信號(hào)時(shí)電機(jī)停止;料庫(kù)頂有信號(hào)時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)托盤(pán)下降;料庫(kù)底有信號(hào)時(shí)電機(jī)停止，加料門(mén)打開(kāi)，等待重新加料，加料完成后關(guān)閉加料門(mén)啟動(dòng)料庫(kù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)托盤(pán)上升。料庫(kù)口有信號(hào)時(shí)證明存在金屬底盤(pán)，PLC將給機(jī)器人發(fā)送底盤(pán)存在信號(hào)。

3.3 工業(yè)高精度機(jī)器人的控制

FANUC機(jī)器人使用DeviceNet與PLC進(jìn)行通信，Devicenet是由Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種低成本的通信鏈接，是一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［6］。PLC可以采集到機(jī)器人的遠(yuǎn)程設(shè)備UO，向機(jī)器人輸出遠(yuǎn)程設(shè)備UI。通過(guò)UO檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)UI選擇機(jī)器人所要執(zhí)行的PNS程序號(hào)，啟動(dòng)、暫停、停止機(jī)器人，調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行速度。

在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，PLC會(huì)將引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)和金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)的檢測(cè)信息和到位信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人，由機(jī)器人自主判斷，PLC不影響機(jī)器人的執(zhí)行邏輯。

4 檢測(cè)單元功能實(shí)現(xiàn)流程

檢測(cè)單元的主要功能流程:

(1)單元啟動(dòng)，對(duì)引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)與金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化，狀態(tài)還原。

(2)初始化成功后引爆器排隊(duì)分離機(jī)構(gòu)與金屬底盤(pán)料庫(kù)升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，反之單元報(bào)錯(cuò)停止。

(3)PLC向機(jī)器人發(fā)送PNS程序號(hào)與啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)機(jī)器人。

(4)機(jī)器人判斷分離機(jī)構(gòu)與料庫(kù)是否準(zhǔn)備完成，完成則進(jìn)入下一步驟。

(5)機(jī)器人抓取分離機(jī)構(gòu)上的引爆器與料庫(kù)中的金屬底盤(pán)。

(6)判斷整備工裝狀態(tài)，等待工裝出現(xiàn)未放滿(mǎn)的工作狀態(tài)。

(7)工裝未放滿(mǎn)，機(jī)器人根據(jù)工裝放置邏輯放置引爆器與金屬底盤(pán)。

(8)放完后檢測(cè)工裝狀態(tài)，已放滿(mǎn)發(fā)出通知信號(hào)，之后繼續(xù)。

(9)回到(4)，在單元停止前在(4)～(9)中循環(huán)執(zhí)行。

功能流程圖如圖6所示。

圖6 功能流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)安全氣囊柔性制造系統(tǒng)關(guān)鍵零部件智能檢測(cè)單元融合了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等手段，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的生產(chǎn)試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)果可靠，完全可以代替現(xiàn)有的人工檢測(cè)手段，極大限度地保證了進(jìn)入注塑機(jī)的引爆器與金屬底盤(pán)安全可靠，進(jìn)而保證了所生產(chǎn)的安全氣囊不會(huì)出現(xiàn)安全隱患，具有重大的生產(chǎn)意義。

［1］ 恵彬.安全氣囊系統(tǒng)的使用及檢測(cè)維護(hù)［J］.汽車(chē)零部件，2010，5(6):67－71.

［2］ 基恩士國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司.RGB數(shù)字光纖傳感器CV－Z20系列［K］，2012:8.

［3］ 海頓直線電機(jī)(常州)有限公司.精密直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品樣本和設(shè)計(jì)指南［K］，2012:175.

［4］ 上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司.LR Mate 200iC Series［K］，2012:1.

［5］ 周宜.機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.電氣自動(dòng)化，2009:31(4):39－41.

［6］ 范剛，南新元.基于Compact Logix系列PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，48(12):1617－1622.