基于PLC控制的氧傳感線束自動(dòng)壓裝設(shè)備研制

摘" 要" 針對(duì)現(xiàn)有氧傳感器線束手動(dòng)壓裝裝配速度慢、定位精度低、裝配質(zhì)量不可控等問題，設(shè)計(jì)了一套氧傳感器線束自動(dòng)壓裝設(shè)備. 設(shè)備由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，下位機(jī)通過PLC控制凸輪分割機(jī)實(shí)現(xiàn)工件在各工站的流轉(zhuǎn)，通過工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)鋯元件的正反、缺陷識(shí)別、OCR讀取、角度和位置信息的獲取，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了線束的力位移壓裝，并實(shí)現(xiàn)了端面激光清潔；上位機(jī)通過Labview實(shí)現(xiàn)線束裝配信息的獲取及裝配質(zhì)量的數(shù)據(jù)追溯. 該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠. 試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，定位誤差基本控制在0.15 mm，插入力控制在10 N，裝配一致性控制在2%，裝配數(shù)據(jù)可追溯，能有效提升裝配質(zhì)量和車間自動(dòng)化水平，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度.

關(guān)鍵詞" 氧傳感器；機(jī)器視覺；力位移控制；線束壓裝包裝

中圖分類號(hào)" TB486+.03" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A

0" 引" 言

汽車氧傳感器是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的反饋傳感器，它的主要功能是測(cè)量尾氣中的氧含量以監(jiān)測(cè)尾氣是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)，是控制汽車尾氣排放、降低汽車對(duì)環(huán)境污染，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒質(zhì)量的關(guān)鍵零部件[1-3]. 氧傳感器由電源線束和分總成殼體壓裝而成，其壓裝質(zhì)量直接影響著尾氣測(cè)量結(jié)果，目前線束壓裝均為人工壓裝，缺點(diǎn)是裝配速度慢、定位精度低、裝配質(zhì)量不可控、勞動(dòng)強(qiáng)度大[4-5]. 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展及環(huán)保要求的提高，氧傳感器市場(chǎng)需求量巨大，傳統(tǒng)的人工壓裝已滿足不了需求.

隨著機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)先利用機(jī)器視覺技術(shù)，由計(jì)算機(jī)替代監(jiān)控人員進(jìn)行圖像理解[7-9]. 機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置，具有速度快、精度高、噪聲低、抗電磁干擾能力強(qiáng)及應(yīng)用方便靈活的特點(diǎn)，可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境，便于進(jìn)行數(shù)字化處理和計(jì)算機(jī)連接，可為企業(yè)減少勞動(dòng)力和提高生產(chǎn)效率，在圖像采集、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用[10-11].

機(jī)器視覺的發(fā)展使線束自動(dòng)壓裝成為可能，目前將機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到氧傳感器線束壓裝已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn). 針對(duì)線束壓裝的現(xiàn)狀及未來自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，結(jié)合機(jī)器視覺的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的氧傳感器線束自動(dòng)壓裝設(shè)備，完成了殼體和線束端面的自動(dòng)清潔及力位移自動(dòng)裝配，并實(shí)現(xiàn)了裝配質(zhì)量的數(shù)據(jù)追溯，徹底解決了人工壓裝速度慢、精度低及裝配質(zhì)量不可控的難題，突破了汽車零配件自動(dòng)化生產(chǎn)的瓶頸工位，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)線的自動(dòng)化水平.

1" 設(shè)備組成及工作原理

1.1" 需求分析

氧傳感器如圖1所示，由線束和殼體兩部分組成. 氧傳感器分總成殼體末端是鋯元件，用于檢測(cè)汽車尾氣氧氣濃度，實(shí)際使用需要將鋯元件末端芯線按一定的力和位移壓入線束并激光焊接，以方便接入汽車中控系統(tǒng). 在焊接前應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別缺陷產(chǎn)品，為保證焊接的可靠性，在焊接壓裝前需對(duì)線束和殼體的壓裝面進(jìn)行激光清潔以去除氧化雜質(zhì).

1.2" 設(shè)備組成

設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由轉(zhuǎn)盤、搬運(yùn)機(jī)器人、激光清潔設(shè)備、壓裝機(jī)器人、電控裝置、氣動(dòng)裝置、殼體上料抽屜、缺陷檢測(cè)相機(jī)、線束角度及位置檢測(cè)相機(jī)、殼體角度及位置檢測(cè)相機(jī)、6自由度力傳感器、掃碼槍組成，主要實(shí)現(xiàn)氧傳感器的端面清潔和線束壓裝，是氧傳感器焊接前必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié).

1.3" 工作原理

設(shè)備按功能可分為線束上下料工站、殼體上料及缺陷檢測(cè)工站、激光清潔工站和線束力控壓裝工站4個(gè)工站，依次排列在轉(zhuǎn)盤的4個(gè)方向，并在凸輪分割機(jī)的作用下使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)工件在各工站的流轉(zhuǎn).

線束上下料工站具有產(chǎn)品防錯(cuò)功能，用于氧傳感器線束的上料及氧傳感器成品的下料. 殼體上料及缺陷檢測(cè)工站有3個(gè)上料抽屜，每個(gè)抽屜可存80個(gè)殼體，搬運(yùn)機(jī)器人從上料抽屜上取殼體，經(jīng)掃碼槍掃碼并經(jīng)相機(jī)進(jìn)行質(zhì)量缺陷檢測(cè)和OCR識(shí)別后，合格產(chǎn)品放置在轉(zhuǎn)盤對(duì)應(yīng)的殼體工位上，不合格產(chǎn)品放回廢品位. 激光清潔工站實(shí)現(xiàn)傳感器殼體及線束端面的激光清潔，以去除氧化雜質(zhì)便于后續(xù)焊接. 激光清潔在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，可有效防止激光對(duì)人眼睛的傷害以及激光清潔時(shí)產(chǎn)生的有害氣體對(duì)人呼吸系統(tǒng)造成的傷害. 線束力控壓裝工站是關(guān)鍵工站，相機(jī)檢測(cè)得到的殼體及線束的位置和角度關(guān)鍵信息，經(jīng)坐標(biāo)變換后將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過TCP通訊傳遞給壓裝機(jī)器人，機(jī)器人按指定位置抓取殼體，并在6自由度力傳感器的作用下完成精確的力控壓裝，將殼體按工藝要求以一定的力位移曲線插入線束，完成整個(gè)的壓裝過程.

2" 設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 控制架構(gòu)

根據(jù)設(shè)備的工藝需求，系統(tǒng)采用上位機(jī)+下位機(jī)兩部分實(shí)現(xiàn). 下位機(jī)選用羅克韋爾5380系列PLC搭建控制系統(tǒng)[12-14]，通過變頻器控制凸輪分割機(jī)實(shí)現(xiàn)工件在各工站的流轉(zhuǎn)，選用高性能的光電開關(guān)和接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)工裝防錯(cuò)和托盤定位及位置檢測(cè)，通過Ethernet通訊與現(xiàn)場(chǎng)掃碼槍、工業(yè)相機(jī)和機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并配備高性能的12寸2711系列觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互. 上位機(jī)采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，搭載Labview軟件與下位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)裝配信息的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)追溯，其硬件配置圖如圖3所示.

激光清潔機(jī)選用IPG公司的P30系列，通過與下位機(jī)PLC進(jìn)行IO通訊，實(shí)現(xiàn)線束和殼體端面按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行清潔. 機(jī)器人選用EPSON公司C4系列6自由度機(jī)器人，重復(fù)定位精度可達(dá)0.02 mm，搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)從殼體上料抽屜上料，并借助掃碼槍SR1000和工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的正反、缺陷檢測(cè)及OCR識(shí)別，壓裝機(jī)器人末端配置S250N六自由度力傳感器，通過工業(yè)相機(jī)識(shí)別線束和殼體的角度和位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變換后通過TCP/IP通訊傳遞至機(jī)器人，并引導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)力位移壓裝控制.

2.2" 生產(chǎn)流程

人工在線束上下料工站線束槽內(nèi)上好線束后點(diǎn)擊鼠尾開關(guān)，線束在轉(zhuǎn)盤的帶動(dòng)下進(jìn)入殼體上料及缺陷檢測(cè)工站，此時(shí)搬運(yùn)機(jī)器人抓取殼體通過掃碼槍進(jìn)行掃碼，并通過缺陷檢測(cè)相機(jī)進(jìn)行正反、缺陷檢測(cè)和OCR識(shí)別，檢查合格的殼體放入殼體預(yù)置位置，隨后在轉(zhuǎn)盤的帶動(dòng)下進(jìn)入激光清潔工站進(jìn)行端面的激光清潔以除去氧化雜質(zhì)便于后續(xù)焊接，最后進(jìn)入力控壓裝工站，經(jīng)相機(jī)檢測(cè)的線束線芯和殼體鋯元件角度和位置信息經(jīng)坐標(biāo)變換后通過TCP通訊傳遞給機(jī)器人，并在六自由度力傳感器的作用下實(shí)現(xiàn)壓裝力位移的精確控制，壓裝完成后進(jìn)入工站一完成產(chǎn)品的下線，依次循環(huán)，如圖4所示.

3" 機(jī)器視覺及坐標(biāo)變換

3.1" 機(jī)器視覺

本項(xiàng)目中機(jī)器視覺主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能，其中殼體上料及缺陷檢測(cè)工站的缺陷檢測(cè)相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)殼體鋯元件的正反、缺陷檢測(cè)及OCR識(shí)別，如圖5所示.

線束和殼體角度位置檢測(cè)相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)線束及殼體鋯元件中心位置坐標(biāo)和角度識(shí)別，由于線束是隨意放置的，即使在上料時(shí)要求工人線束保持一致，經(jīng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)后，線束位置在圓周方向仍然是隨機(jī)分布的，且人工放置無法保證精度，線束和鋯元件方向隨機(jī)分布如圖6所示，其中a、b、c、d為線束的隨機(jī)分布情況，e、f、g、h為鋯元件殼體的隨機(jī)分布情況.

從圖中可以看出，線束的顯著特征為外圈圓形，中間是金屬芯線，一邊為3芯，一邊為2芯；殼體鋯元件從垂直角度看外部輪廓為梅花狀外圓，內(nèi)部為一矩形框.

本項(xiàng)目中氧傳感器鋯元件的高度為6 mm，寬度為3 mm，厚度為1 mm，線束寬度為4 mm，拍照視野在14 mm×10 mm，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，相機(jī)選用基恩士CA-200M系列，200萬像素. 圖像分辨率■和拍照視野μ和像素視野ν的關(guān)系如式（1）所示：

■＝■（1）

已知200萬像素對(duì)應(yīng)的像素視野為1 600×1 200，由式（1）可計(jì)算圖像分辨率為0.008 75 mm/pix.

3.2" 坐標(biāo)變換

線束及殼體鋯元件中心的位置坐標(biāo)和角度定位好后，需傳遞給機(jī)器人以指導(dǎo)壓裝，由于相機(jī)采集到的是像素信息，但機(jī)器人運(yùn)動(dòng)需要的是笛卡爾坐標(biāo)系下的位置信息，為了實(shí)現(xiàn)相機(jī)指導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，我們必須建立機(jī)器人坐標(biāo)和像素點(diǎn)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系.

理想的攝像機(jī)模型是針孔模型，機(jī)器人坐標(biāo)系OR XRYR ZR到圖像坐標(biāo)系Of XfYf Zf的變換符合式（2）規(guī)定[15-17]：

xRyRzR＝Rxfxfzf＋T（2）

式中R和T分別為從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移變換，R是一個(gè)3×3的正交矩陣，如式（3）所示.

R＝r1" r2" r3r4" r5" r6r7" r8" r9（3）

T是3×1的平移向量，其中Tx，Ty，Tz為平移矩陣T的三個(gè)分量，如式（4）所示.

T＝TxTyTz（4）

由于相機(jī)鏡頭固定，且線束和殼體通過機(jī)械結(jié)構(gòu)保證在一個(gè)水平面內(nèi)且與機(jī)器人坐標(biāo)系平行，因此機(jī)器人坐標(biāo)系Z軸與圖像坐標(biāo)Z軸平行，無需進(jìn)行Z軸的換算，只需計(jì)算機(jī)器人坐標(biāo)系X，Y方向與像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可. 圖像坐標(biāo)系Of XfYf到機(jī)器人坐標(biāo)系Or XrYr之間的關(guān)系簡(jiǎn)化后符合式（5）.

xryr＝r1" r2r3" r4xfyf＋TxTy（5）

為保證計(jì)算簡(jiǎn)單可靠，我們安裝時(shí)將2個(gè)相機(jī)的像素X，Y方向和機(jī)器人的工具坐標(biāo)的X、Y方向調(diào)整為一致，計(jì)算中心位置坐標(biāo)時(shí)僅需簡(jiǎn)單的矩陣加減運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)，如式（6）所示.

xryr＝（xf 1yf 1－xf" 2yf" 2）×■（6）

式中，xr，yr分別為相機(jī)距理論放置點(diǎn)的X，Y方向上的偏量；xf 1，yf 1分別為線束理論中心點(diǎn)和實(shí)際中心點(diǎn)的像素在X，Y方向上的偏差；xf" 2，yf" 2分別為鋯元件理論中線點(diǎn)與實(shí)際中心點(diǎn)的偏差；■為相機(jī)像素的分辨率.

計(jì)算機(jī)器人旋轉(zhuǎn)變量時(shí)，僅需計(jì)算線束和鋯元件之間的旋轉(zhuǎn)角度差即可，如式（6）、式（7）所示.

Tj＝α－β（7）

式中，Tj為機(jī)器人6軸旋轉(zhuǎn)變量，α、β分別為線束相機(jī)計(jì)算角度和鋯元件相機(jī)計(jì)算角度.

4" 試驗(yàn)測(cè)試

2021年12月，系統(tǒng)樣機(jī)組裝完畢后對(duì)傳感器的自動(dòng)清潔壓裝進(jìn)行測(cè)試，OCR相機(jī)數(shù)字編碼識(shí)別正確率100%，芯線金屬片缺損及缺陷檢測(cè)識(shí)別率100%，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)試，激光清潔度滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，可滿足后續(xù)焊接的要求.

現(xiàn)場(chǎng)將線束和殼體隨意放置，經(jīng)線束檢測(cè)相機(jī)和殼體相機(jī)檢測(cè)位置和角度信息后經(jīng)坐標(biāo)運(yùn)算后傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人按給定坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)至指定位置. 位置、角度檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，從表中可以看出，相機(jī)檢測(cè)及坐標(biāo)換算均具有較高的定位精度，定位誤差控制在0.15 mm以內(nèi).

設(shè)備采用機(jī)械手自動(dòng)壓裝的方式以最大程度保證產(chǎn)品的一致性，通過六自由度力傳感器根據(jù)contact序列，incert序列和press序列力控算法進(jìn)行力和位移的控制，在上位機(jī)通過Labview實(shí)現(xiàn)壓裝力、力矩和位移等數(shù)據(jù)采集保存，并耦合生成力-位移實(shí)時(shí)曲線. 圖7（a）為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)自由度的力曲線，圖7（b）為Tx，Ty，Tz三個(gè)自由度的力矩曲線，圖7（c）為裝配力和插入位移的交互曲線，圖7（d）為壓裝一致性曲線.

從曲線中可以看出，插入力控制在10 N以內(nèi)，壓裝位移和壓裝力一致性精度控制在2%，壓裝一致性較好，壓裝合格率可達(dá)99.95%以上，滿足工藝要求. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試5 000件，經(jīng)測(cè)試節(jié)拍在9 s，定位誤差基本控制在0.15 mm，激光清潔度也滿足工藝要求.

5" 結(jié)論

本文研制了一臺(tái)氧傳感器線束自動(dòng)清潔壓裝設(shè)備，通過工業(yè)相機(jī)完成殼體鋯元件和線束的正反、缺陷及OCR識(shí)別和角度、位置信息的獲取，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了殼體的搬運(yùn)和線束力位移壓裝，通過IPG激光清潔機(jī)實(shí)現(xiàn)了殼體和線束端面的激光清潔，便于后續(xù)焊接，通過凸輪分割器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品在各工站之間的可靠流轉(zhuǎn)，通過Labview實(shí)現(xiàn)了裝配信息的獲取及裝配質(zhì)量的數(shù)據(jù)追溯. 本文研制的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠，壓裝質(zhì)量及壓裝效率均有明顯改善，從根本上解決了人工壓裝存在的速度慢、效率低、質(zhì)量不可控、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，并為后續(xù)的工廠自動(dòng)化奠定基礎(chǔ).

該設(shè)備目前已申請(qǐng)發(fā)明專利，并應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某汽車零配件生產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好，工作可靠，壓裝快速，合格率較高，滿足了客戶要求，具有較大的應(yīng)用價(jià)值.

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Design of Automatic Press-Fitting Machine for Oxygen Sensor Harness Based on PLC

YANG Hongliang， LI Dong， TIAN Guangduo， LI Wenyu， LIANG Zenan

（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering， Beijing 100076， China）

Abstract： To solve the problems such as slow speed， low positioning accuracy and uncontrollable assembly quality in press-fitting of oxygen sensor harness， the automatic press-fitting equipment is designed. The equipment is composed of a lower computer and an upper computer. The lower computer controls the cam dividing machine through PLC to realize the circulation at each work station. The industrial camera realizes the positive and negative， defect identification， angle， position information acquisition of zirconium elements. The robot realizes the force displacement pressing of the wire harness and the laser cleaning of the end face. The upper computer realizes the acquisition of harness assembly information and the data tracing of assembly quality through Labview. The equipment has simple structure， stable performance and safe and reliable operation. The test results of the test prototype show that the positioning error is basically controlled at 0.15 mm， the insertion force is controlled at 10N， the assembly consistency is controlled at 2%， and the assembly data is traceable， which can effectively improve the assembly quality and workshop automation level， and reduce the labor intensity of workers.

Keywords： oxygen sensor; robot vision; force displacement control; harness press-fit