劉新勝，王 萍，李曉聰，秦子堯，馮 超，張 凡，楊麗娜

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100071)

電連接器和導(dǎo)線是大多數(shù)電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)和信號(hào)傳遞的基礎(chǔ)元件，每個(gè)電連接器的可靠接觸保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-3]。所以，電連接器自動(dòng)化焊接的質(zhì)量直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]，對(duì)于焊接型電連接器線束生產(chǎn)的典型工藝包括裁線、剝皮、浸錫、焊接、穿管等多個(gè)工序，除焊接外，各工序間已實(shí)現(xiàn)相互配合、共同作業(yè)的高度自動(dòng)化。由于焊接過(guò)程中環(huán)境、裝配條件變化以及不確定性因素干擾的存在[5-8]，電連接器與多芯導(dǎo)線自動(dòng)焊接較難實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段的電連接器與導(dǎo)線之間的焊接有通過(guò)機(jī)械、電氣、PLC控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)[9]，采用激光焊接的方式實(shí)現(xiàn)，整個(gè)行業(yè)總體上還以手工焊接為主。因此，對(duì)電連接器和多芯導(dǎo)線焊接的研究有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

伴隨著科技的進(jìn)步，當(dāng)前視覺(jué)識(shí)別技術(shù)、多關(guān)節(jié)協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得解決這一技術(shù)瓶頸成為可能。通過(guò)運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)、智能化識(shí)別技術(shù)、柔性制造技術(shù)及信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種滿足導(dǎo)線焊接作業(yè)的柔性制造系統(tǒng)，將電連接器與多芯電纜自動(dòng)焊接在一起，實(shí)現(xiàn)了該部分工作的機(jī)器代替人工。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理

電連接器焊杯結(jié)構(gòu)及導(dǎo)線如圖1所示。

圖1 電連接器焊杯結(jié)構(gòu)及導(dǎo)線

通過(guò)雙機(jī)機(jī)器人密切配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線抓取與焊接的多樣化動(dòng)作，其中六軸協(xié)作機(jī)器人配備的多功能智能夾手將導(dǎo)線定位抓取，視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)放置在七軸焊錫機(jī)器平臺(tái)專用卡具內(nèi)的電連接器進(jìn)行二次定位，完成特征提取與匹配，獲得引腳精確坐標(biāo)信息，智能夾手夾持導(dǎo)線移動(dòng)至電連接器正確引腳位置，由雙機(jī)器人協(xié)作完成I/O通信，焊錫機(jī)器人按照設(shè)定的程序完成導(dǎo)線與連接器的焊接，待焊點(diǎn)凝固后，夾手脫離導(dǎo)線。六軸協(xié)作機(jī)器人返回導(dǎo)線定位夾拾取下一根導(dǎo)線，完成另一電連接器焊杯的識(shí)別和焊接。如此循環(huán)作業(yè)，直到焊接完定義的所有焊點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)更換導(dǎo)線的定位機(jī)構(gòu)、更換程序適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)快速換線，從而達(dá)到柔性制造。機(jī)器人搭載視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)線焊接技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 機(jī)器人搭載視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)線焊接技術(shù)路線

2 焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 六軸機(jī)器人、七軸焊錫機(jī)器人系統(tǒng)

六軸機(jī)器人系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)集成了可編程控制技術(shù)、人機(jī)界面操作技術(shù)，重復(fù)定位精度是±0.03 mm，每一個(gè)關(guān)節(jié)都能夠?qū)崿F(xiàn)±360°旋轉(zhuǎn)，末端第六軸可實(shí)現(xiàn)無(wú)限旋轉(zhuǎn)，可通過(guò)每個(gè)軸的配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)作多樣化、柔性化。

圖3 六軸機(jī)器人系統(tǒng)

在機(jī)器臂上安裝視覺(jué)系統(tǒng)及智能夾手，機(jī)械臂的臂展范圍能夠滿足工作半徑要求，從而能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)線定位、抓取、焊接的工作需求。機(jī)器人可同時(shí)支持多種通信模式，滿足通信要求。機(jī)器人具備力控和力感應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)人和機(jī)器接觸以后，可根據(jù)設(shè)置的力使機(jī)器人進(jìn)入到保護(hù)性停機(jī)狀態(tài)，能夠保證操作人員的人身安全。

七軸焊錫機(jī)器人(見(jiàn)圖4)采用七軸聯(lián)動(dòng)控制，PC構(gòu)架具有烙鐵姿態(tài)記憶功能，烙鐵角度隨意自動(dòng)變換姿態(tài)，可有效接觸導(dǎo)熱。程序記憶不同焊接角度，調(diào)用程序時(shí)焊接角度自動(dòng)恢復(fù)，能實(shí)現(xiàn)快速更換產(chǎn)品品種，實(shí)現(xiàn)不同溫度焊接，快速切換生產(chǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)柔性焊接生產(chǎn)。

圖4 七軸焊錫機(jī)器人系統(tǒng)

2.2 執(zhí)行系統(tǒng)

由于要抓取的導(dǎo)線柔性化較強(qiáng)，易變形，所以在抓取過(guò)程中，如果使用固定行程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可能會(huì)在抓取的過(guò)程中出現(xiàn)抓不牢或者抓取變形的情況，這樣導(dǎo)線不能夠準(zhǔn)確地放置到正確引腳位置，出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致焊接機(jī)器人不能夠進(jìn)行正常的焊接作業(yè)，影響作業(yè)流程。所采用的智能夾手擁有2個(gè)自適應(yīng)平行機(jī)械關(guān)節(jié)手指，每個(gè)關(guān)節(jié)手指由多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)各種通信方式(提供CAN總線，TCP/IP, RS485, I/O等通信方式)發(fā)送不同的指令對(duì)夾爪進(jìn)行控制。采取平行夾持，并重新優(yōu)化智能夾手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免與電連接器焊杯干涉，實(shí)現(xiàn)精確抓取并修正導(dǎo)線的變形。

2.2.1 機(jī)械臂夾手

機(jī)械臂夾手安裝在機(jī)械臂的最前端用于夾取導(dǎo)線，由一對(duì)可以開(kāi)合的夾板組成，由于導(dǎo)線柔軟易彎曲、有易變形并堆疊的工藝特性，在夾板內(nèi)有導(dǎo)線定位槽，夾板的開(kāi)合行程、夾持力可編程設(shè)置。為方便夾手夾取導(dǎo)線，按照設(shè)定的路徑夾取已裁切并放置在導(dǎo)線定位夾中的導(dǎo)線，當(dāng)執(zhí)行焊接導(dǎo)線程序時(shí)，夾手夾取導(dǎo)線端頭放入電連接器的焊線杯中。夾線機(jī)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 夾線機(jī)構(gòu)示意圖

2.2.2 電連接器焊線

機(jī)械臂夾手夾持著導(dǎo)線對(duì)準(zhǔn)要焊線的焊杯中心并接近，導(dǎo)線端頭進(jìn)入焊杯，由視覺(jué)系統(tǒng)完成定位，啟動(dòng)焊錫機(jī)對(duì)導(dǎo)線及焊杯加熱部位給導(dǎo)線及焊杯加熱，焊錫絲送絲機(jī)送絲。待焊錫冷卻后松開(kāi)夾具，導(dǎo)線脫離夾具。然后CCD相機(jī)給焊完的焊杯及導(dǎo)線拍照檢查焊線的效果，合格后機(jī)械臂再取下一條導(dǎo)線焊接。電連接器及夾具示意圖如圖6所示。

圖6 電連接器及夾具示意圖

2.3 搭載視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，包括圖像處理、機(jī)械工程、光源照明、光學(xué)成像、模擬與數(shù)字成像技術(shù)、算法等綜合的技術(shù)，互相協(xié)調(diào)作用才能構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)[10]，視覺(jué)系統(tǒng)的主要功能有2個(gè)，首先對(duì)待抓取的導(dǎo)線進(jìn)行初步定位，將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，自動(dòng)進(jìn)行焊點(diǎn)插針坐標(biāo)計(jì)算[11]，計(jì)算機(jī)獲得被焊插頭圖像后，從中提取出所需的幾何特征和庫(kù)中數(shù)據(jù)比對(duì)[12]，生成結(jié)果。軟件同時(shí)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓取工作，其次對(duì)待焊接的電連接器插頭做精確定位，將引腳的坐標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人將導(dǎo)線移動(dòng)至正確的引腳位置，焊接機(jī)器人進(jìn)行下一步的焊接作業(yè)。電連接器外觀特征訓(xùn)練如圖7所示。

圖7 電連接器外觀特征訓(xùn)練

相機(jī)采用內(nèi)部自帶軟件和算法的智能相機(jī)，相機(jī)對(duì)電連接器的截面拍照后，與模板特征比對(duì)，完成圖像預(yù)處理，并定位焊杯X、Y位置，角度及范圍變化，計(jì)算出焊接位置偏差角度傳至協(xié)作機(jī)器人，相機(jī)拍照的位置坐標(biāo)與機(jī)械手的位置坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一換算，完成坐標(biāo)換算的統(tǒng)一。由協(xié)作機(jī)器人控制智能夾手，完成精確定位。相機(jī)可存儲(chǔ)多套視覺(jué)程序，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，無(wú)需人工干預(yù)，進(jìn)行自動(dòng)切換程序，適應(yīng)不同種類的工件場(chǎng)景。電子表格程序視圖如圖8所示。

圖8 電子表格程序視圖

光源選用標(biāo)準(zhǔn)5500K色溫的LED環(huán)形補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，補(bǔ)光范圍廣，沒(méi)有陰影和色溫干擾的問(wèn)題。根據(jù)研究表明，5500K色溫的白光LED對(duì)物體進(jìn)行補(bǔ)光時(shí)，能夠顯現(xiàn)出更準(zhǔn)確的顏色紋理信息[13]。

2.4 雙機(jī)器人協(xié)作焊接

為完成有效焊接的復(fù)雜作業(yè)，需要搭載視覺(jué)的協(xié)作機(jī)器人與焊錫機(jī)器人精確配合，先通過(guò)焊錫機(jī)器人觸屏軟件界面操作編程，確定焊接角度、位置，通過(guò)PC自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)精確定位運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)烙鐵加熱，自動(dòng)定量送錫，配合各氣動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。所焊接的電連接器擺放到專用卡具內(nèi)，電連接器及卡具視為一個(gè)整體，專用卡具解決了以往焊接方式出現(xiàn)的種種難題，確保焊接件的可靠性和穩(wěn)定性，提高了焊接的工藝精度[14]。六軸協(xié)作機(jī)器人搭載的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)抓取導(dǎo)線進(jìn)行識(shí)別、角度的調(diào)整和修正，將位置信息發(fā)送給機(jī)器手。六軸協(xié)作機(jī)器人控制機(jī)械臂終端氣動(dòng)夾手從導(dǎo)線定位夾完成導(dǎo)線抓取，將導(dǎo)線準(zhǔn)確放置到電連接器引腳位置，由焊錫機(jī)器人完成導(dǎo)線與連接器的焊接，待導(dǎo)線脫離夾具，機(jī)械臂返回導(dǎo)線定位夾拾取下一根導(dǎo)線。機(jī)器人之間協(xié)同的焊接主要由焊接、空點(diǎn)、開(kāi)出、開(kāi)入命令實(shí)現(xiàn)控制，雙方通過(guò)I/O互相通信，再通過(guò)空點(diǎn)命令的組合實(shí)現(xiàn)互相配合，實(shí)現(xiàn)本次項(xiàng)目一個(gè)焊點(diǎn)的焊接工作。以此類推，完成整個(gè)連接器的控制焊接。雙機(jī)協(xié)作機(jī)器人示意圖如圖9所示，雙機(jī)機(jī)器人協(xié)作完成焊接如圖10所示。

圖9 雙機(jī)協(xié)作機(jī)器人示意圖

圖10 雙機(jī)機(jī)器人協(xié)作完成焊接

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將圖像處理和機(jī)器視覺(jué)引入到電連接器導(dǎo)線焊接中，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的自動(dòng)焊接，從而部分取代之前的人工操作流程，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的焊接一致性。但由于多品種小批量生產(chǎn)模式下，導(dǎo)線的規(guī)格型號(hào)繁多，長(zhǎng)度不同，單種導(dǎo)線加工數(shù)量少，而導(dǎo)線屬于柔性，易彎曲、易變形并堆疊，導(dǎo)致機(jī)器人機(jī)械抓手很難精確取拿導(dǎo)線，并完成密集焊接，導(dǎo)線這些工藝屬性限制了焊接效率的提升及焊接多樣性的要求。