一種汽車零部件測試用ABB機(jī)器人改造方法的研究

王龍　王鋼　盧文明　楊欣霖

摘 要：本文研究的機(jī)器人改造方法是基于ABB的IRB機(jī)器人，在不需要上位機(jī)控制系統(tǒng)參與的情況下，通過機(jī)械式的邏輯控制和增加輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方式，來解決單臺(tái)ABB機(jī)器人無法滿足汽車零部件可靠性測試中對多動(dòng)作的需求。此種方法無需開發(fā)軟件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行高效、成本低廉。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 邏輯控制 測試

Research on the Transformation Method of ABB Robot Equipment for Automobile Parts Testing

Wang Long，Wang Gang，Lu Wenming，Yang Xinlin

Abstract：The robot transformation method studied in this paper is based on ABB's IRB robot. Without the participation of the upper computer control system， by means of mechanical logic control and adding auxiliary actuators， the problem that a single ABB Robot cannot meet the demand of multi action in the reliability test of automobile parts can be solved. This method has the advantages of simple structure， high efficiency and low cost.

Key words：robot， logic control， testing

汽車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、電氣設(shè)備組成，其中用戶在使用過程中直接進(jìn)行交互的主要是車身內(nèi)飾系統(tǒng)，包括門飾板系統(tǒng)、座艙系統(tǒng)、功能件系統(tǒng)、約束系統(tǒng)和座椅系統(tǒng)。對于車身內(nèi)飾系統(tǒng)的可靠性測試，優(yōu)先使用更能真實(shí)復(fù)現(xiàn)人體動(dòng)作的六軸機(jī)器人（如ABB-IRB機(jī)器人）來模擬用戶的使用工況，對內(nèi)飾系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

內(nèi)飾系統(tǒng)中大部分零部件的操作都是單動(dòng)作，不需要輔助動(dòng)作配合，依靠ABB機(jī)器人即可完成測試。但對于某些零部件，比如座椅，其實(shí)際操作是手-腿或手-背部的協(xié)同動(dòng)作，使得僅僅依靠機(jī)器人是無法實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作要求的，所以必須增加輔助配合的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常見的輔助配合方式有兩種，多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作或者增加輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電缸、氣缸等），這兩種方式都需要上位機(jī)參與控制，實(shí)現(xiàn)信息交互。整體成本較高，可擴(kuò)展性較差。本文主要研究在ABB機(jī)器人的基礎(chǔ)上通過增加氣動(dòng)輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用機(jī)械式邏輯控制方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多動(dòng)作的協(xié)同工作，同時(shí)使其具備良好擴(kuò)展性能的改造方法。

1 汽車內(nèi)飾系統(tǒng)可靠性測試的介紹

1.1 門飾板系統(tǒng)

門飾板系統(tǒng)在使用過程中對可靠性的影響主要為開關(guān)門時(shí)對門飾板的推拉力和鎖止時(shí)的沖擊。推拉力可靠性測試為直線雙向的力加載測試;鎖止沖擊測試是在車門打開狀態(tài)下提供一個(gè)關(guān)門力，使車門依靠慣性實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。參考實(shí)際使用情況，用戶單手即可完成操作，因此只需要ABB機(jī)器人即可完成相關(guān)測試。

1.2 座艙系統(tǒng)

座艙系統(tǒng)主要為儀表板和中控臺(tái)，其涉及的可靠性主要為儲(chǔ)物機(jī)構(gòu)的開關(guān)耐久試驗(yàn)，比如駕駛員側(cè)儲(chǔ)物盒開關(guān)耐久、手套箱開關(guān)耐久、中控扶手儲(chǔ)物箱開關(guān)耐久，在實(shí)際使用過程中，用戶單手即可完成操作，因此也可以使用ABB機(jī)器人完成測試。

1.3 功能件系統(tǒng)

功能件系統(tǒng)包括后視鏡系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)、雨刷系統(tǒng)、中控臺(tái)系統(tǒng)等，可靠性主測試要針對這些系統(tǒng)的控制鍵的操作耐久測試，使用ABB機(jī)器人足以完成這些控制鍵的操作耐久測試。

1.4 約束系統(tǒng)

約束系統(tǒng)可靠性測試主要為卡扣插拔耐久測試和安全帶卷收器耐久測試?？鄣牟迦霝閱蝿?dòng)作，卡扣拔出有鎖扣解鎖和卡扣拔出兩個(gè)動(dòng)作，但鎖扣解鎖后，卡扣未脫離鎖扣，可以使用機(jī)器人依次完成鎖扣解鎖和卡扣拔出兩個(gè)動(dòng)作。安全帶卷收器耐久為直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用機(jī)器人可完成測試。

1.5 座椅系統(tǒng)

座椅系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中除動(dòng)力系統(tǒng)外最昂貴的系統(tǒng)部件之一，其種類和功能繁多。其常見的可靠性測試報(bào)告座椅前后調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)、靠背角度調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)、座椅高度調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)和頭枕高度調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)。與其它內(nèi)飾系統(tǒng)的操作相比，座椅系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的解鎖和運(yùn)動(dòng)是同步的，解鎖呈保持狀態(tài)時(shí)，座椅才可以運(yùn)動(dòng)。因此依靠單臺(tái)機(jī)器人時(shí)無法同時(shí)完成兩個(gè)動(dòng)作，需要增加輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 多動(dòng)作協(xié)同的機(jī)器人測試設(shè)備介紹

2.1 機(jī)器人+機(jī)器人模式

多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作，依靠機(jī)器人控制系統(tǒng)之間的通信完成信號交互，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的協(xié)同工作。但其成本高，每增加一個(gè)動(dòng)作，就需要增加一臺(tái)機(jī)器人。同時(shí)也容易出現(xiàn)被測樣件的工作空間過小，無法滿足多臺(tái)機(jī)器人對工作空間要求的情況。

2.2 機(jī)器人+輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電缸、氣缸）

機(jī)器人與輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作，需要上位機(jī)完成兩者之間的信號交互，否則無法實(shí)現(xiàn)協(xié)同。但無論是工控機(jī)還是PLC，其軟件開發(fā)都有一定難度。

3 本文的機(jī)器人改造方法說明

設(shè)備改造使用的元器件包括：按鈕開關(guān)、繼電器、電磁換向閥、直流電源、氣源、三濾、氣缸。由上述元器件組成的輔助執(zhí)行系統(tǒng)，通過機(jī)器人機(jī)械式的觸發(fā)按鈕開關(guān)使輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合機(jī)器人完成測試，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉。其原理如下圖3。

以QC/T 740-2016《乘用車座椅總成》中的座椅靠背角度調(diào)節(jié)耐久試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。一個(gè)完整的試驗(yàn)循環(huán)動(dòng)作包括座椅調(diào)角器解鎖，保持調(diào)角器解鎖狀態(tài)同時(shí)將靠背從最小角度位置調(diào)節(jié)至最大角度位置，調(diào)角器落鎖，調(diào)角器再次解鎖，將靠背調(diào)節(jié)至最小角度位置，調(diào)角器落鎖。解鎖的動(dòng)作與靠背運(yùn)行動(dòng)作是同步的。為ABB機(jī)器人增加的輔助執(zhí)行系統(tǒng)來完成解鎖落鎖的動(dòng)作。試驗(yàn)動(dòng)作為機(jī)器人觸發(fā)解鎖按鈕SQ1，氣缸完成解鎖并保持解鎖狀態(tài)，機(jī)器人將靠背推從最小位置至最大位置，靠背到位后觸發(fā)斷路控制按鈕SQ2，氣缸完成落鎖，調(diào)角器鎖止;機(jī)器人觸發(fā)解鎖按鈕SQ3，氣缸完成解鎖并保持解鎖狀態(tài)，機(jī)器人將靠背推從最大位置至最小位置，靠背到位后觸發(fā)斷路控制按鈕SQ4，氣缸完成落鎖，調(diào)角器鎖止。輔助執(zhí)行系統(tǒng)的電氣原理圖如圖4所示。

輔助執(zhí)行系統(tǒng)布置需注意依解鎖動(dòng)作觸發(fā)按鈕SQ1和SQ3盡量靠近座椅布置，兩個(gè)斷路觸發(fā)控制按鈕須SQ2布置在當(dāng)靠背調(diào)節(jié)至最大角度位置時(shí)，靠背可以觸發(fā)此按鈕;SQ4布置在當(dāng)靠背調(diào)節(jié)至最小角度位置時(shí)，靠背可以觸發(fā)此按鈕;將氣缸固定與座椅的調(diào)角器手柄相連時(shí)，需用限位裝置令氣缸伸出和縮回兩個(gè)位置分別對應(yīng)調(diào)節(jié)器的落鎖與解鎖位置。

當(dāng)輔助動(dòng)作的數(shù)量增加時(shí)，只需增加相應(yīng)的控制按鈕、繼電器、電磁閥、氣缸;當(dāng)需要調(diào)整動(dòng)作順序時(shí)，只需變更機(jī)器人觸發(fā)按鈕的次序，不需要開發(fā)或變更控制程序，因此這種改造方法以極低的成本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人測試能力的擴(kuò)展。

4 結(jié)語

本文通過機(jī)械式邏輯控制方式，為單臺(tái)ABB機(jī)器人增加輔助執(zhí)行系統(tǒng)，從而使其可以滿足汽車零部件試驗(yàn)中對多動(dòng)作協(xié)同工作的需求，擴(kuò)展了單臺(tái)機(jī)器人的測試能力;同時(shí)避免了上位機(jī)軟硬件的開發(fā)，極大的降低了改造成本，降低了開發(fā)難度，為后續(xù)功能的擴(kuò)展提供了極大的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱國華.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[2]柳瀨徹夫.汽車人機(jī)工程學(xué)技術(shù)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3]邵偉.測量機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)[D]，西安：西安理工大學(xué)，2004：30-31.