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機器人安全氣囊引爆組件柔性制造檢測系統

文檔作者：孫勤，陳哲希，林瓊，吳陳釧文檔來源：上海電氣自動化設計研究所有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年12月06日
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機器人安全氣囊引爆組件柔性制造檢測系統
孫勤，陳哲希，林瓊，吳陳釧
(上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海200023)
摘 要：汽車安全氣囊引爆組件機器人自動生產系統是通過一臺工業機器人與注塑機配合完成。原料與注塑后的產品分別通過兩套 工業相機進行檢測。通過可編程的機器人和視覺相機,操作人員可以從觸摸屏上選擇不同的產品型號,PLC會調用相應的機 器人和視覺檢測程序，以完成各類產品的周期生產,實現了氣囊組件柔性制造的需求。
關鍵詞：柔性制造;安全氣囊;工業機器人;視覺檢測;可編程邏輯控制器
DOI: 10.3969/j ? issn. 1000 - 3886.2014.05.030
［中圖分類號］TP23 ［文獻標志碼］A ［文章編號］1000 -3886(2014)05 -0085 -03
An Inspection System for Robot Flexible Manufacturing of Airbag Trigger Components
SUN Qin, CHEN Zhe-xi, LIN Qiong, WU Chen-chuan
(Shanghai Electrical Automation Design and Research Institute Co^ Ltd., Shanghai 200023 , China)
Abstract : On the automatic robot production line for automobile air bag trigger components operate an industrial robot and a mold machine. The raw material and the product after injection are inspected each by an industrial vision camera. By means of the programmable Robot and vision camera, the operator can choose different types of products via the touch - panel and the PLC will call corresponding robot and vision inspection program to complete manufacturing circles for various types of products, thus satisfying the demand on manufacturing of air bag components.
Keywords: flexible manufacturing; automobile airbag; industrial robot; visual inspection; programmable logic controller 
o引言
汽車安全氣囊是人們在汽車碰撞事故中，為保證乘員的生命 安全，減少因事故造成的人員傷亡而研究開發的汽車安全保護裝 置。如今汽車安全氣囊對減少汽車碰撞造成的人員生命財產損 失起到了越來越重要的作用，據專家測算，在汽車安裝安全氣囊 后，當發生汽車碰撞事故中，乘員的生還率可以提高70%以上， 若碰撞發生在汽車前部,裝有安全氣囊的汽車駕駛員，其死亡率： 大客車降低30%，中客車降低11%，轎車降低14% ［1］。
在汽車安全氣囊生產過程中，引爆組件是安全氣囊裝置中的 核心組件，它的作用是引燃產生氣體的藥粉，保證氣囊可以以足 夠快的速度產生足夠體積的氣體，引爆組件最突出的特點是燃爆 品，可以在幾段的時間(0.03 - 0.05 s)內使環境發生劇烈變 化⑵。它是由一塊用于裝填炸藥粉的金屬底盤和一枚帶有兩個 針腳的引爆器通過注塑組成。本系統由1臺工業機器人配合1 臺注塑機,并通過2套工業相機及傳感器檢測，完成引爆組件的 周期生產。由于市場上汽車類型繁多，為了匹配不同類型汽車的 使用需求，引爆組件被制作成外形顏色各異的許多種類。為了滿 足該產品多品種柔性制造的需求，系統通過在HMI觸摸屏上選 擇不同的組件型號，使系統調用不同的機器人及工業相機檢測程 序，從而達到一機多用的生產需求。
1系統框架
安全氣囊引爆組件制造系統是由1臺雙模注塑機、1臺
定稿日期：2014-08 -12
甚金項目：本項研究工作得到了上海市科學技術委員會的資助，資助課 題編號為12DZ2250900

FANUC LR Mate - 200iC工業機器人、1套HMI觸摸屏及2套 COGNEX In - sight系列工業相機組成。通過PLC控制,機器人 自動為注塑機上下料,并由兩套工業相機對原料及成品進行質量 檢測。如圖1所示，控制裝置使用AB公司的1756系列PLC (Programmable Logic Controller)，注塑機通過 I/O 電纜接入 PLC 模塊，機器人通過DeviceNet總線接入PLC.2套工業相機及觸摸 屏通過以太網接入PLC0 DeviceNet是由羅克韋爾旗下Allen - Bradly公司研制開發，DeviceNet的數據鏈路層完全遵循CAN (Controller Area Network)規范的定義,并通過CAN控制器芯片實 現⑶o機器人使用DeviceNet總線連接PLC,具有可擴展、效率高 等特點。連接時，首先需要在PLC端導入FANUC機器人的EDS 文件,EDS文件記錄了 DeviceNet網絡上設備通信的屬性,包括傳 輸速率，輸出類型等。然后在機器人端將I/O分配到DeviceNet 網絡地址上，機器人外部輸入信號如表1所示，外部輸出信號如 表2所示。
注塑前后原料及成品的檢測是通過兩套康耐視In - Sight系 列工業相機完成。康耐視是最先進的視覺工具之一，其技術已廣 泛地用于工業生產中。康耐視系統的硬件部分有智能圖像傳感 器及配套照明系統、I/O模塊和以太網串行轉換器；軟件部分有 內嵌圖像處理軟件Intellect,該系統可以方便地制作圖像處理產 品⑷。兩套工業相機的檢測數據是通過以太網傳輸給PLC。將 相機設置成同PLC相同的網段中，完成連接。工業相機的輸入 是通過將PLC傳輸來的數據讀取后放入程序中設定的Formatln- putBuffer中，輸出則是將檢測好的數據放入程序FormatOutput- Buffer中，然后PLC從緩沖器中讀取。數據輸入包括了當前需要 檢測的產品型號、檢測位信號，輸出則包括各項任務的檢測結果。 
 
輸入輸出都是以32位整數的形式傳輸。除了通過以太網連接， 工業相機還需使用離散I/O向PLC傳輸2個自定的專用信號，包 括了相機的運行狀態和程序處理情況。這些信號都接入AB公 司1734 - AENT遠端模塊上的輸入模塊中。1734 - AENT則通過 以太網完成連接”

圖1系統網絡連接圖
表1機器人外部輸入(UI)信號配置
UI號	信號名稱	信號內容
UI[1]	* 1MSTP	緊急停機信號
UI[2]	* HOLD	暫停信號
UI[3]	? SFSPD	安全速度信號
UI[4]	CSTOPI	周期停止信號
UI[5]	FAULT_RESET	報警復位信號
UI[6]	START	外部啟動信號
UI⑻	ENBL	使能信號
UI[9]	RSR1/PNS1	程序號選擇信號
UI[10]	RSR2/PNS2	程序號選擇信號
UI[11]	RSR3/PNS3	程序號選擇信號
UI[12]	RSR4/PNS4	程序號選擇信號
UI[17]	PNSTROBE	PNS濾波信號
表2	機器人外部輸出(UO)信號配置
UO號	信號名稱	信號內容
UO[1]	CMDENBL	命令使能信號輸出
U0[6]	FAULT	錯誤輸出
U0[9]	BATALM	電池報警輸出
U0[10]	BUSY	處理器忙輸出

系統使用AB公司PANEL View系列觸摸屏.觸摸屏是人機 互動的媒介觸摸屏通過以太網連接PLC,操作人員可以通過觸 摸屏更換生產型號,啟動機器人特定程序，并可實時讀取檢測 數據。
2生產流程
汽車安全氣囊引爆組件生產系統是以工業機器人為主體，為 注塑機自動上下料，配以視覺系統檢測來完成的。系統使用的是 1臺雙模注塑機,2個模具可以旋轉交互運作，這樣就可以實現上 料和注塑同時進行,每個模具中有4個注塑腔，每個注塑腔的中 央都有2個小孔。上料時，機器人通過特制的手爪將4個底盤同 時放人4個注塑腔中,然后將4個引爆器同時插入小孔中”由于 引爆組件是安全氣蟆的核心部件，其原料的使用和成品的質量都 需要嚴格把控。所以當機器人為注塑機上料完畢后，需要1套彩 色200萬像素的COGNEX工業相機對原料進行檢測，原料檢測 相機安裝于注塑機頂端，對注塑機模具上的4個注塑腔一次性全 部檢測。檢測通過后，注塑機開始注塑。當注塑完成后，機器人 取出成品,并通過1臺彩色30萬像素相機對成品的注塑質量進 行檢測。成品檢測相機安裝于注塑機旁-?側，機器人將手爪中4 個成品移動到相機鏡頭面前逐一進行檢測

圖2機器人周期流程圖
系統使用FANUC I.R Mate -2001C工業機器人，該型號機器 人為6自由度中小型機器人，臂長704 mm,最高運行速度4 000 mm/s,手臂負重5 kg,重復定位精度±0.02 mm⑶，完全可以精確 地將引爆器引腳插入模具孔中。機器人是通過PNS方法被PLC 調用。在每個生產周期，機器人都會被調用1次，通過Devi- ceNet,機器人會從PLC接受注犁機運轉信號，光柵信號，傳感器 信號及成品質量是否通過信號”其1個周期的運轉流程如圖2 所示。
3視覺系統檢測
3.1原料檢測相機
在注塑機啟動注塑前，原料檢測相機需對模具中的金屬底盤 和引爆器進行檢測。檢測要求隨著不同的型號會有變化，通過接 收PLC發來的選型信號，相機內部會調用不同的檢測程序。其 需要實現的功能如下：
(1)	機器人擺放原料到模具前:保證模具內沒有干涉物
(2)	機器人擺放原料到模具后：檢測金屬底盤是否存在，金 屬底盤擺放是否歪斜，引爆器是否存在,引爆器顏色是否正確
機器人擺放原料到模具前要確保模具里沒有干涉物。相機 通過對模具上4個空腔內的固有黑色圖形進行識別學習，當有金 屬底盤或其它干涉物覆蓋在上面時，相機便無法檢測到該圖形， 這樣便阻止機器人進行上料.保證生產安全。機器人擺放好原料 后會觸發相機拍照，得到如圖3的照片。
 
圖3原料檢測相機圖像捕捉

相機通過建立一個顏色庫(TrainExtractColor)來與模具上的 四個引爆器顏色做匹配，若檢測出的顏色與生產所需的顏色匹 配，則說明引爆器存在并且顏色正確；若檢測出的顏色與所需的 顏色不匹配，則說明引爆器顏色錯誤;若檢測的顏色無法在顏色 庫里找到.則說明引爆器沒有準確插到指定位置。
通過使用FindPattem識別模具空腔內的固有圖形可以判斷 金屬底盤是否存在，若匹配到固有圖形，則該腔為空，金屬底盤不 存在;若無法匹配，則說明金屬底盤已將圖形覆蓋住.金屬底盤 存在。金屬底盤是否放歪斜是通過FindLine找出每個底盤的左 右兩個邊和底邊，并計算出左邊界和底邊的交點坐標及右邊界 與底邊的交點坐標.然后再分別計算這兩個點到模具底部邊沿 的垂直距離,通過比較距離，可以計算檢測出金屬底盤是否放 置準確。
3.2成品檢測相機
成品因為注毀機每次注魁情況、溫度髙低的不同會有差異， 所以需要進行嚴格的質量監控，對于不合格的產品需要通知機器 人廢棄處理”成品相機通過一個結構光源橫向安裝于注塑機側 邊，機器人會將成品放到相機面前,一邊移動一邊逐一觸發相機 捕捉照片,對于不同型號的產品，成品相機也將調用不同的程序。 其檢測需要實現的功能如下：
(1)	檢測要求產品注蜩不良、注塑毛邊毛刺、注塑顏色、 引腳歪斜、引腳裝配不到位、引腳方向反、部件漏裝。
(2)	檢測速度小于0.5 s檢測一次。
(3)	檢測精度 ±0.2 mm。
通過圖像捕捉，成品檢測相機可以得到如圖4所示的成品 圖像。由于機器人每次定位略有不同，成品在圖像上的位置也 會有偏移。因此需要通過FindCircle取得成品外圓輪廓的圓 心，以其作為檢測項目的參照點。引腳檢測是成品質量的最重 要指標，引腳的檢測可以通過ExtractBlob工具取得兩個斑點 PIN1和PIN2的中心數據,若找到的斑點數不足2個，則說明引 腳有缺失。然后運用PointToPoint I：具測得兩斑點中心之間的連 線長度厶，分別作圓心到兩斑點中心距離厶和2,然后根據式 (1)，若差值L?超過規定范圍，則表示2根引腳與圓心直線度不 符合規定。
Lo = (£, +£2) -Z	(1)
注塑質量是以參照圓為基準，使用ExtractBlob工具檢測圓外 注塑飛邊的像素總值，若大于規定像素量，則判別注塑情況不良； 注塑顏色是通過建立顏色庫，與成品注塑顏色進行比較，可以判 別注塑顏色是否準確。工業相機會將所有檢測結果發送給PLC, PLC將結果統一處理后，若有一項不合格便會通知機器人廢棄該 成品。

圖4原料檢測相機圖像捕捉
4結束語
汽車安全氣囊引爆組件制造系統通過使用可拓展的總線連 接，可編程的工業機器人及工業相機，通過在觸摸屏上選擇不同 的型號,PLC可以快速地做出反應，調用不同的機器人上下料程 序及視覺檢測程序，完成各種各樣引爆組件型號的生產,滿足當 下汽車行業需求種類繁多，產品柔性制造的需求。
參考文獻：
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【作者簡介】孫勤(I960 -),男，上海人，本科，上海電氣自動化設計研究 所有限公司高級工程師，主要從事自動控制，機器人開發與應用等方面的 研究。

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