基于機(jī)器人視覺(jué)柔性組合的轉(zhuǎn)向架線束連接器自動(dòng)插接通電測(cè)試方法

林藍(lán) 龐世俊 張恒志 張彥偉 郭瑞磊

摘 要：連接器測(cè)試一般涉及插拔力測(cè)試、耐久性測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試、耐電壓測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、機(jī)械沖擊測(cè)試、冷熱沖擊測(cè)試、混合氣體腐蝕測(cè)試等。目前軌道交通連接器在做好線纜后仍使用傳統(tǒng)的人工測(cè)試測(cè)量PIN點(diǎn)之間的絕緣電阻和耐電壓數(shù)據(jù)，人工頻繁的找點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，長(zhǎng)時(shí)間操作很容易出現(xiàn)插線錯(cuò)誤造成測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還可能造成測(cè)試設(shè)備損壞等。

主要針對(duì)軌道交通使用的電連接器進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試和耐電壓測(cè)試，以機(jī)器人為核心配合機(jī)器視覺(jué)識(shí)別連接器型號(hào)進(jìn)行自動(dòng)柔性插接，同時(shí)完成工藝要求的各測(cè)試項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;未來(lái);機(jī)動(dòng)化;自動(dòng)連接

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.109

1 引言

連接器是電子工程技術(shù)人員經(jīng)常接觸的一種部件。它的作用非常單純：在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間，架起溝通的橋梁，從而使電流流通，使電路實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。連接器形式和結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，隨著應(yīng)用對(duì)象、頻率、功率、應(yīng)用環(huán)境等不同，有各種不同形式的連接器。軌道交通轉(zhuǎn)向架上選用的連接器外形有矩形的也有圓形的，連接類(lèi)型有孔型的也有針形的且接觸點(diǎn)不確定。

電連接器除了要滿(mǎn)足一般的性能要求外，特別重要的要求是電連接器必須達(dá)到接觸良好，工作可靠，維護(hù)方便，其工作可靠與否直接影響電路的正常工作，涉及整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

目前轉(zhuǎn)向架上各連接器的測(cè)試大部分采用人工手動(dòng)測(cè)試，存在效率低、測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題，并且存在電氣測(cè)試安全隱患。所以需要一套柔性自動(dòng)化對(duì)接并能自動(dòng)測(cè)試的系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向架的電氣性能測(cè)試。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向架全部線束的一次性自動(dòng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置了兩套機(jī)器人柔性裝卡對(duì)接系統(tǒng)，分布在轉(zhuǎn)向架的兩端，分別裝卡連接各端的線束連接器。每套器人柔性裝卡對(duì)接系統(tǒng)由自動(dòng)裝卡系統(tǒng)和自動(dòng)柔性對(duì)接系統(tǒng)組成，如圖1所示。

不同型號(hào)的轉(zhuǎn)向架安裝有不同數(shù)量或種類(lèi)的線束，為了覆蓋所有線束連接器的檢測(cè)，測(cè)試系統(tǒng)也要配置與轉(zhuǎn)向架連接器對(duì)應(yīng)的裝卡工裝和對(duì)接裝置。

裝卡系統(tǒng)為每個(gè)裝卡工裝提供了固定且唯一的存放位置，并通過(guò)傳感器感知每個(gè)裝卡工裝是否在位。

對(duì)接裝置由連接器通過(guò)線纜連接到多路測(cè)試設(shè)備，連接器帶電纜可以在允許范圍內(nèi)移動(dòng)。機(jī)器人柔性裝卡對(duì)接系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃將轉(zhuǎn)向架線束的連接器與測(cè)試線束的連接器實(shí)現(xiàn)機(jī)械物理插接，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的電氣連接，形成測(cè)試回路，進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)向架線束的測(cè)試。

2.1 裝卡系統(tǒng)

裝卡系統(tǒng)由裝卡抓取機(jī)器人和柔性裝卡庫(kù)、裝卡工裝、裝卡對(duì)接支架組成。柔性裝卡庫(kù)可以存放多種轉(zhuǎn)向架的線束連接器裝卡工裝，系統(tǒng)通過(guò)RFID識(shí)別技術(shù)，識(shí)別被測(cè)轉(zhuǎn)向架的型號(hào)，通過(guò)測(cè)試信息管理系統(tǒng)調(diào)取測(cè)試工藝單，并下達(dá)指令給裝卡抓取機(jī)器人，機(jī)器人從柔性裝卡庫(kù)中選擇抓取對(duì)應(yīng)的裝卡工裝，并放置到裝卡對(duì)接支架上，將轉(zhuǎn)向架的連接器裝卡到裝卡工裝對(duì)于位置，完成裝卡工作，如圖2所示。

如上圖所示，機(jī)器人裝卡系統(tǒng)組成及關(guān)系所示，裝卡機(jī)器人由機(jī)器人本體和機(jī)器人控制單元組成;機(jī)器人本體末端法蘭通過(guò)連接件將氣動(dòng)離合器公頭部件連接在一起;裝卡工裝是一根長(zhǎng)方形型材為主體，在中心位置連接有氣動(dòng)離合器母頭實(shí)現(xiàn)與裝卡機(jī)器人末端氣動(dòng)離合器公頭的對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)抓取裝卡工裝;兩邊分布有轉(zhuǎn)向架線束連接器固定接口，用來(lái)固定線束連接器實(shí)現(xiàn)固定和定位，接口中間部分是與對(duì)應(yīng)連接器外形相匹配的半開(kāi)放結(jié)構(gòu)，正好可以講對(duì)應(yīng)連接器放置到其中，側(cè)面有頂緊機(jī)構(gòu)，可以用來(lái)固定連接器，防止松動(dòng);其下面設(shè)計(jì)有定位銷(xiāo)，方便平穩(wěn)的放置于柔性工裝庫(kù)或者裝卡對(duì)接支架上。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架型號(hào)，一般設(shè)置多個(gè)裝卡工裝。

柔性裝卡庫(kù)由裝卡庫(kù)立柱和裝卡庫(kù)工裝放置臺(tái)組成，放置臺(tái)連接與立柱上端，立柱通過(guò)連接橫梁與裝卡機(jī)器人本體安裝底座相連，起到固定和定位的目的。裝卡庫(kù)工裝放置臺(tái)上設(shè)有多個(gè)工裝放置位置，每個(gè)位置有位置不同的定位孔，確保相對(duì)于位置的類(lèi)型的裝卡工裝可以放置，防止錯(cuò)誤放置，如圖3所示。

裝卡對(duì)接支架由裝卡對(duì)接支架立柱和裝卡對(duì)接支架定位臺(tái)、夾緊氣缸組成;支架定位臺(tái)上可以放置一個(gè)裝卡工裝，同定位孔與定位銷(xiāo)相連，并用夾緊氣缸夾緊，防止對(duì)接插拔將裝卡工裝帶動(dòng)，夾緊氣缸固定在支架定位臺(tái)的對(duì)角兩端，支架定位臺(tái)與支架立柱連接，支架立柱與裝卡連接系統(tǒng)定位安裝底板連接;如圖4所示。

2.2 自動(dòng)柔性對(duì)接系統(tǒng)

自動(dòng)柔性對(duì)接系統(tǒng)由對(duì)接機(jī)器人、視覺(jué)辨識(shí)定位單元、對(duì)接裝置構(gòu)成，其對(duì)接裝置上可加裝涵蓋當(dāng)前轉(zhuǎn)向架型號(hào)的轉(zhuǎn)向架連接器全部種類(lèi)測(cè)試對(duì)接需要，可以將測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試對(duì)象通過(guò)對(duì)接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，構(gòu)成測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)測(cè)試;當(dāng)對(duì)接系統(tǒng)收到測(cè)試信息系統(tǒng)的測(cè)試命令，對(duì)接機(jī)器人通過(guò)其末端安裝的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)別裝卡工裝上的連接器種類(lèi)和位置，然后選擇對(duì)位對(duì)接裝置上相應(yīng)的對(duì)接連接部件，精確的與轉(zhuǎn)向架的連接器對(duì)插，完成測(cè)試的電氣連接。

如圖5所示，自動(dòng)柔性對(duì)接系統(tǒng)在機(jī)器人本體的末端法蘭上通過(guò)視覺(jué)安裝板固定工業(yè)相機(jī)和光源，通過(guò)組件連接件連接多位對(duì)接裝置，多位對(duì)接裝置底端以十字形分布的樣式，可用同時(shí)安裝4個(gè)測(cè)試連接器，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)選擇采用的測(cè)試連接器，每次一個(gè)，對(duì)應(yīng)將要測(cè)試的轉(zhuǎn)向架線束連接器，測(cè)試連機(jī)器通過(guò)電纜連接到多路自動(dòng)電測(cè)設(shè)備，電測(cè)設(shè)備又與測(cè)試信息管理系統(tǒng)相連。

工業(yè)相機(jī)通過(guò)相機(jī)電纜與視覺(jué)辨別定位單元處理系統(tǒng)連接，將視覺(jué)圖像數(shù)據(jù)傳入處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)如下計(jì)算和處理：

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別區(qū)域二次選定、識(shí)別針孔特征、特征數(shù)據(jù)灰度處理及膨脹處理等圖像處理算法可以識(shí)別固定在裝卡工裝上的轉(zhuǎn)向架線束連接器的種類(lèi)、以及坐標(biāo)位置，然后數(shù)據(jù)傳給對(duì)接機(jī)器人控制單元，整個(gè)過(guò)程將視覺(jué)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)經(jīng)行高精度對(duì)比識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)對(duì)接機(jī)器人準(zhǔn)確的移動(dòng)到坐標(biāo)位置，準(zhǔn)確地將相應(yīng)的測(cè)試連接器，插入轉(zhuǎn)向架線束連接器，實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

3 功能分析

3.1 操作方便

系統(tǒng)測(cè)試操作具有柔性和自動(dòng)化，只需打開(kāi)系統(tǒng)操作界面，一鍵啟動(dòng)，系統(tǒng)就可以自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試全過(guò)程，無(wú)需人工介入。

3.2 測(cè)試過(guò)程安全可靠

在功能操作上，裝卡工裝按照實(shí)際轉(zhuǎn)向架上的連接器型號(hào)和數(shù)量配置了相同數(shù)量和規(guī)格的連接器裝卡位置，可以讓用戶(hù)方便快捷的將被測(cè)線束放置并固定在裝卡工裝上;每個(gè)裝卡工裝根據(jù)轉(zhuǎn)向架型號(hào)不同配置不同的固定裝卡接口，與轉(zhuǎn)向架型號(hào)的連接器一一對(duì)應(yīng)，防止誤操作。

裝卡工裝庫(kù)采用帶有定位裝置的支架平臺(tái)方式，支架平臺(tái)上設(shè)有多個(gè)裝卡工裝固定位置，每個(gè)位置上的固定銷(xiāo)孔和轉(zhuǎn)接工裝上的固定銷(xiāo)對(duì)應(yīng)，使不同裝卡工裝固定位置唯一;同時(shí)每個(gè)固定位置裝有位置傳感器，可以實(shí)時(shí)判別裝卡工裝是否在位，為機(jī)器人抓取提供狀態(tài)信息。

多位對(duì)接裝置上預(yù)留了有多個(gè)插接針板安裝位置，對(duì)接機(jī)器人可以根據(jù)視覺(jué)傳感器的識(shí)別結(jié)果選取對(duì)應(yīng)的插接針板，移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的連接器位置，進(jìn)行插接動(dòng)作。在插接過(guò)程中，如遇到線束連接器自身質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致不能正常插接，對(duì)接裝置上預(yù)留了10～20mm的彈性緩沖區(qū)，當(dāng)裝置不能正常插接時(shí)，采用接觸動(dòng)力學(xué)模型仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了彈性緩沖裝置，彈性緩沖區(qū)會(huì)被壓縮，通過(guò)裝置上的位置傳感器感知壓縮量，達(dá)到設(shè)定值后將向機(jī)器人控制系統(tǒng)報(bào)故障信號(hào)，停止插接操作。

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了連續(xù)工作10個(gè)工作日的疲勞測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中分別對(duì)接測(cè)試6種不同類(lèi)型的連接器，識(shí)別和插接均正常，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤識(shí)別、無(wú)法識(shí)別等情況，機(jī)器人自動(dòng)插接均可按既定軌跡實(shí)現(xiàn)插接，沒(méi)有出現(xiàn)插接偏差或錯(cuò)插等情況;通過(guò)上述試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)是安全可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是緊密結(jié)合轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的實(shí)際現(xiàn)狀和具體需求，結(jié)合智能制造及數(shù)字化背景，旨在實(shí)現(xiàn)具有技術(shù)先進(jìn)性，數(shù)字化、柔性化的智能制造樣板工程，為進(jìn)一步全面實(shí)施中車(chē)四方智能制造數(shù)字化生產(chǎn)模式提供詳實(shí)、科學(xué)、全面、經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的可行性實(shí)例。

在系統(tǒng)實(shí)際操作中，測(cè)試信息管理系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入符合規(guī)范的工藝文件;在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中，通過(guò)每個(gè)轉(zhuǎn)接工裝配置不同的線束固定卡具和位置固定銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)接工裝位置的管理和轉(zhuǎn)接工裝對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架的靈活配置。

通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在機(jī)器人插接過(guò)程中，通過(guò)柔性對(duì)接裝置，可以有效的實(shí)現(xiàn)線束連接器插接，并避免插接失敗對(duì)連接器的損傷。

實(shí)現(xiàn)了多種轉(zhuǎn)向架的兼顧測(cè)試和線束連接器的柔性插接，并通過(guò)工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)了線束連接器與測(cè)試系統(tǒng)接口柔性對(duì)接可行性驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]熊濤.衛(wèi)星自動(dòng)對(duì)接技術(shù)[J].科技資訊，2018，（6）.

[2]韋格伯特·費(fèi)熱.航天器自動(dòng)交會(huì)對(duì)接[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2013.

[3]普?？?數(shù)字信號(hào)處理[M].4版.方艷梅，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.