孫勤，吳陳釧，林瓊，陳哲希

(上海電氣自動化設(shè)計研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

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

汽車安全氣囊關(guān)鍵零部件稱為引爆部件，是由金屬底盤和引爆器通過注塑機注塑封裝后取得。在引爆器與金屬底盤放入注塑機之前需要進行外觀質(zhì)量檢測?，F(xiàn)有檢測手段通常為人工進行，難以保證引爆器與金屬底盤的質(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)建汽車安全氣囊柔性制造系統(tǒng)時，針對現(xiàn)有的汽車安全氣囊引爆組件在放入注塑機前進行檢查時，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)計一種汽車安全氣囊引爆組件智能檢測單元，采用自動化機器人配合，對汽車安全氣囊引爆組件各項指標進行自動檢測，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。

1 檢測要求

引爆器與金屬底盤，在放入注塑機之前需進行質(zhì)量和外觀檢測，引爆器主要檢測引爆器的型號規(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;金屬底盤主要檢查金屬底盤的型號規(guī)格、金屬底盤底部質(zhì)量，金屬底盤定位口的方向。引爆器與金屬底盤如圖1、圖2所示。

圖1 引爆器示意圖

圖2 金屬底盤示意圖

2 檢測單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)檢測要求和功能的不同，將單元設(shè)計分為多個部分進行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含了一個 PLC主站，兩個從站，從站與主站間通過以太網(wǎng)通信。

2.1 引爆器排隊分離機構(gòu)

為了對引爆器進行外觀與Pin方向的檢測，設(shè)計了一個引爆器排隊、分離、定位機構(gòu)，其主要由引爆器振動盤，直線輸送器和安裝了多種傳感器的氣動分離排隊機構(gòu)組成。

將引爆器加入振動盤中，振動盤可通過巧妙的機械運動保證引爆器以正確的Pin朝向進入直線輸送器，直線輸送器將引爆器送入氣動分離排隊機構(gòu)。

氣動排隊分離機構(gòu)的排隊分離功能由5個帶氣爪的氣動元件完成，通過5個氣動元件將分離機構(gòu)分成3個位置，在3個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安裝了檢測引爆器存在的光電反射傳感器，位置3安裝了兩對判別引爆器存在和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題，特別選用KEYENCE公司的CZ－H37S型RGB傳感器。據(jù)文獻［2］所述，該傳感器具有四個獨立輸出，能同時保存四種物體的數(shù)據(jù)并能夠?qū)γ總€物體進行分別設(shè)置和輸出。如此便可保存引爆器的顏色數(shù)據(jù)，根據(jù)總控信號自動切換檢測顏色。

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

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 氣動排隊分離機構(gòu)示意圖

2.2 金屬底盤料庫升降機構(gòu)

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

依據(jù)以上情況，我們采用了活動式料庫的解決方法。在料庫內(nèi)部安裝活動式料框，通過步進電機帶動料框托盤上下移動，裝入金屬底盤后即可實現(xiàn)金屬底盤的上升下降。托盤上升下降的限位由安裝于料庫頂部和底部的反射光電傳感器決定，一旦托盤到達指定位置傳感器信號發(fā)生變化立即停止電機。

步進電機使用Haydon公司的DCM8055高性能細分驅(qū)動器進行驅(qū)動，據(jù)文獻［3］所述，該驅(qū)動器具有14種十進位和二進位的分辨率可供選擇，調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)即可改變電機傳動速度。

一種活動料框僅適合于一種或二種金屬底盤，料框內(nèi)含有相應(yīng)的定位工裝來保證料框中的金屬底盤都為同一個方向。料框底部是通過四個定位插銷固定在料庫下托板上的，更換金屬底盤型號時，只需打開頂部面板，提起當前料框換入相應(yīng)料框即可。

同金屬底盤料庫升降機構(gòu)控制相關(guān)的I/O接入從站2，由1734從站模塊與PLC通信實現(xiàn)金屬底盤料庫升降機構(gòu)的功能。

2.3 整備測試工裝機構(gòu)

整備測試工裝機構(gòu)是測試引爆器與金屬底盤的最后一個工位，通過該機構(gòu)的檢測和位置限定，引爆器和金屬底盤就可用于注塑機上料等工序。

整備測試工裝機構(gòu)分為引爆器準備工裝、金屬底盤準備工裝。

引爆器準備工裝依靠引爆器定位插口和對射光電傳感器測定引爆器是否已經(jīng)插入，插入成功時光電傳感器會產(chǎn)生信號變化，同時壓力傳感器進行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到明顯的壓力升高，若Pin彎曲或是缺失，壓力不會升高，壓力傳感器檢測不通過。引爆器全部檢測通過后即為合格。

金屬底盤準備工裝存在4個定位空腔，其形狀和大小是按照不同型號金屬底盤進行設(shè)計制造的，一種金屬底板準備工裝通常只對應(yīng)1或2種型號的金屬底盤。定位空腔有定位銷來限定方向，空腔的底部安裝了按壓光電傳感器，金屬底盤放置方向正確且底部沒有缺陷時恰好能按住光電傳感器，使其產(chǎn)生信號變化，這時視之為合格的金屬底盤。

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

圖5 整備測試工裝機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 工業(yè)高精度機器人

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

機器人采用了4手爪設(shè)計，手爪有兩種尺寸，一種用于伸入分離機構(gòu)抓取引爆器，一種用于伸入料庫抓取金屬底盤，兩者不能通用。在每個手爪上都安裝了用于檢測手爪開閉的光電傳感器，信號直接進入機器人，機器人可通過信號判斷當前手爪狀態(tài)。

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

2.5 PLC總控系統(tǒng)與人機界面

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模塊控制各個安全門、加料門的上鎖開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、人機界面進行信息交互。DeviceNet模塊與機器人的DeviceNet模塊直接連接，實現(xiàn)機器人狀態(tài)的采集和對機器人的操作。

人機界面采用了PanelView工業(yè)觸摸屏，觸摸屏不僅可包含大量的控制信息、使各項操作鍵及狀態(tài)顯示布置得更為合理，同時也可增強操作的邏輯性和運行狀態(tài)監(jiān)控的直觀性［5］。人機界面使用ENET與PLC通信，人機界面可以控制整個系統(tǒng)的功能啟動、停止，還能單獨控制引爆器排隊分離機構(gòu)氣爪的伸出縮回、金屬底盤料庫升降機構(gòu)電機的上升下降、運行FANUC機器人的各種功能、解鎖上鎖各個安全門等，從人機界面上還可以看到各個機構(gòu)甚至各個傳感器的狀態(tài)。

3 檢測單元的控制設(shè)計

依據(jù)控制要求，PLC控制中樞對于引爆器排隊分離機構(gòu)、金屬底盤料庫升降機構(gòu)、機器人的控制是分開的，三者皆可獨立運行。

3.1 引爆器排隊分離機構(gòu)的控制

引爆器排隊分離機構(gòu)與PLC之間通過從站1進行通信，PLC主要采集的信息有振動盤的開閉狀態(tài)、各氣動元件當前狀態(tài)、各傳感器目前信號。PLC可以通過從站1輸出振動盤的開閉信號控制振動盤的電源，接通閥島上的某個電磁閥使相應(yīng)的氣動元件動作。

引爆器排隊分離機構(gòu)的狀態(tài)判斷和動作決策完全由PLC完成。

引爆器排隊分離機構(gòu)的正常控制流程:將引爆器加入振動盤，振動盤將引爆器以相同Pin方向?qū)⒁魉腿胫本€輸送器，之后進入引爆器分離機構(gòu)進行質(zhì)量檢測。首先進入位置3，位置3檢測到引爆器存在之后啟動顏色傳感器檢測引爆器顏色，PLC記錄結(jié)果輸出信號驅(qū)動氣動元件連續(xù)運動將引爆器送入位置2，確認位置3為空時，引爆器進入位置3，檢測引爆器是否存在及Pin方向是否正確，結(jié)果進入PLC，PLC綜合檢測的結(jié)果決定引爆器是否合格，將判斷結(jié)果傳給機器人。

3.2 金屬底盤料庫升降機構(gòu)的控制

金屬底盤料庫升降機構(gòu)與PLC之間通過從站2進行通信，PLC主要采集的信息有電機當前前進方向，加料門的開關(guān)狀態(tài)，各傳感器目前信號。PLC可以通過從站2輸出開閉信號控制加料門的開閉，輸出電機驅(qū)動信號控制電機啟動停止與正反轉(zhuǎn)。

PLC綜合所有傳感器的信息判斷料庫當前狀態(tài)，決定電機啟動停止或正反轉(zhuǎn)。

正常的控制邏輯:PLC檢測料庫口、料庫頂、料庫底3對傳感器信號，都無信號時電機正轉(zhuǎn)托盤上升;料庫口有信號時電機停止;料庫頂有信號時電機反轉(zhuǎn)托盤下降;料庫底有信號時電機停止，加料門打開，等待重新加料，加料完成后關(guān)閉加料門啟動料庫，電機正轉(zhuǎn)托盤上升。料庫口有信號時證明存在金屬底盤，PLC將給機器人發(fā)送底盤存在信號。

3.3 工業(yè)高精度機器人的控制

FANUC機器人使用DeviceNet與PLC進行通信，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可以采集到機器人的遠程設(shè)備UO，向機器人輸出遠程設(shè)備UI。通過UO檢測機器人當前狀態(tài)，通過UI選擇機器人所要執(zhí)行的PNS程序號，啟動、暫停、停止機器人，調(diào)整機器人的運行速度。

在機器人運行過程中，PLC會將引爆器排隊分離機構(gòu)和金屬底盤料庫升降機構(gòu)的檢測信息和到位信號發(fā)送給機器人，由機器人自主判斷，PLC不影響機器人的執(zhí)行邏輯。

4 檢測單元功能實現(xiàn)流程

檢測單元的主要功能流程:

(1)單元啟動，對引爆器排隊分離機構(gòu)與金屬底盤料庫升降機構(gòu)進行初始化，狀態(tài)還原。

(2)初始化成功后引爆器排隊分離機構(gòu)與金屬底盤料庫升降機構(gòu)開始運行，反之單元報錯停止。

(3)PLC向機器人發(fā)送PNS程序號與啟動信號啟動機器人。

(4)機器人判斷分離機構(gòu)與料庫是否準備完成，完成則進入下一步驟。

(5)機器人抓取分離機構(gòu)上的引爆器與料庫中的金屬底盤。

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

(7)工裝未放滿，機器人根據(jù)工裝放置邏輯放置引爆器與金屬底盤。

(8)放完后檢測工裝狀態(tài)，已放滿發(fā)出通知信號，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

汽車安全氣囊柔性制造系統(tǒng)關(guān)鍵零部件智能檢測單元融合了現(xiàn)代檢測技術(shù)、機器人技術(shù)、氣動技術(shù)等手段，經(jīng)過嚴格的生產(chǎn)試驗，運行穩(wěn)定，結(jié)果可靠，完全可以代替現(xiàn)有的人工檢測手段，極大限度地保證了進入注塑機的引爆器與金屬底盤安全可靠，進而保證了所生產(chǎn)的安全氣囊不會出現(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)的使用及檢測維護［J］.汽車零部件，2010，5(6):67－71.

［2］ 基恩士國際貿(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(常州)有限公司.精密直線運動產(chǎn)品樣本和設(shè)計指南［K］，2012:175.

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

［5］ 周宜.機器人噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用［J］.電氣自動化，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［J］.化工自動化及儀表，2012，48(12):1617－1622.