周 杰

（研林自動(dòng)化科技有限公司，上海 201822）

0 引言

ECU全稱(chēng)Electronic Control Unit，也稱(chēng)作微電腦控制器，是“行車(chē)電腦”和“車(chē)載電腦”專(zhuān)用的微電腦控制器。該系統(tǒng)包括微型計(jì)算機(jī)、輸入、輸出和控制電路等。一般具有故障自診斷和保護(hù)功能［1-2］。伴隨著汽車(chē)中電子自動(dòng)化水平不斷智能化的提高，ECU的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。例如：ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控自動(dòng)變速器、主動(dòng)懸掛系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、多向可變電子座椅等［3］。通過(guò)分析ECU裝配工藝流程和行業(yè)現(xiàn)狀可知，目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)生產(chǎn)對(duì)ECU的依賴(lài)和需求逐漸增大，但是針對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)的ECU裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線卻寥寥無(wú)幾。因此，設(shè)計(jì)一套ECU控制系統(tǒng)非常必要。本文的研究方向是解決生產(chǎn)過(guò)程中人工依賴(lài)大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等關(guān)鍵點(diǎn)，用低成本自動(dòng)化設(shè)備代替人工，實(shí)現(xiàn)裝配涂膠自動(dòng)化檢測(cè)等功能。該設(shè)備的研究可以大大節(jié)省企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度，從而達(dá)到更高的生產(chǎn)效率，因此具有實(shí)際意義。為確保該控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能［4］：（1）點(diǎn)動(dòng)調(diào)試運(yùn)行，設(shè)備程序初始化后，按下啟動(dòng)按鈕，按照程序邏輯順序托盤(pán)輸送線啟動(dòng)運(yùn)行，并停留在此工位，然后再次按下啟動(dòng)按鈕執(zhí)行下一工位操作，主要用于控制系統(tǒng)調(diào)試；（2）點(diǎn)動(dòng)周期運(yùn)行，按下啟動(dòng)按鈕后，托盤(pán)輸送線從上料初始位置開(kāi)始，按照?qǐng)?zhí)行順序完成一個(gè)ECU裝配周期后，返回且停留在下料位置；（3）連續(xù)運(yùn)行，按下啟動(dòng)按鈕后，托盤(pán)輸送從第一步到完成一個(gè)周期工作后，緊接著開(kāi)始裝配下一組ECU配件并連續(xù)工作下去，直到按下停止按鈕，等所有裝配件完成后才停止；（4）監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)顯示裝配線運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)具有報(bào)警功能，例如ECU配件不足、ECU點(diǎn)膠量錯(cuò)誤、系統(tǒng)通訊故障等。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

ECU裝配線設(shè)備布局如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)備主要由托盤(pán)輸送線、清潔系統(tǒng)、涂膠系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、壓合、掃碼等系統(tǒng)組成。

圖1 設(shè)備布局

（1）物料輸送線：將ECU上部塑料盒和下部鋁合金盒同時(shí)放在輸送線托盤(pán)中，通過(guò)二維碼掃描槍對(duì)ECU上下盒上二維碼進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)通過(guò)PRPFINET網(wǎng)線傳送給可編程控制器PLC和客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)［2］數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配，對(duì)比成功后托盤(pán)自動(dòng)輸送到下一個(gè)工位。當(dāng)托盤(pán)到達(dá)不同工位時(shí)，托盤(pán)上裝有的RFID芯片會(huì)被讀取，讀取數(shù)據(jù)信息被發(fā)送到客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于監(jiān)控生產(chǎn)線裝配狀況等。

（2）清潔系統(tǒng)：托盤(pán)到達(dá)清潔工位后，通過(guò)吹風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行ECU外殼清潔。吹風(fēng)時(shí)間可以通過(guò)人機(jī)界面觸摸屏設(shè)置。

（3）涂膠系統(tǒng)1：主要功能是在ECU上部塑料盒指定位置進(jìn)行涂膠；涂膠量由涂膠機(jī)進(jìn)行控制。

（4）工業(yè)機(jī)器人涂膠系統(tǒng)2：通過(guò)PROFINET接收PLC信息并進(jìn)行相應(yīng)的涂膠操作。該涂膠部位是ECU下部鋁合金盒指定位置，涂膠量由涂膠機(jī)進(jìn)行控制。

（5）視覺(jué)檢測(cè)1：主要是檢測(cè)ECU上下盒涂膠量是否滿(mǎn)足客戶(hù)要求。當(dāng)視覺(jué)檢測(cè)后，該工位由氣缸抓取ECU鋁合金盒然后進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)。為了確保設(shè)備的穩(wěn)定性，不僅需要磁感傳感器在氣缸內(nèi)到位信號(hào)，而且要增加適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間。

（6）壓合系統(tǒng)：當(dāng)托盤(pán)到達(dá)后，由氣缸進(jìn)行慢速移動(dòng)推壓，將ECU上下盒進(jìn)行點(diǎn)膠粘盒。

（7）視覺(jué)檢測(cè)2：主要檢測(cè)裝配完成后的ECU上下盒壓合后縫隙大小，不符合產(chǎn)品工藝要求產(chǎn)品將被氣缸剔出。

通過(guò)分析控制系統(tǒng)要求，ECU裝配線工作流程如圖2所示，PLC的程序是用梯形圖和SCL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)備控制系統(tǒng)工藝流程，當(dāng)PLC接收到硬件中傳感器等（比如氣缸磁感應(yīng)傳感器）的輸入信號(hào)時(shí)，程序控制每個(gè)機(jī)構(gòu)按照設(shè)備工藝流程自動(dòng)有序進(jìn)行動(dòng)作。該設(shè)備的PLC軟件設(shè)計(jì)采用西門(mén)子博圖編程軟件，在分配每個(gè)輸入／輸出地址后進(jìn)行PLC程序編程［5］。

圖2 系統(tǒng)工作流程

根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝的要求，在設(shè)計(jì)設(shè)備程序時(shí)，主要需要考慮不同工位（從站）通訊信號(hào)和氣缸的動(dòng)作協(xié)調(diào)性。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，托盤(pán)中的激光傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控是否有ECU盒蓋，當(dāng)未檢測(cè)到盒蓋時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出缺料報(bào)警，然后根據(jù)提示執(zhí)行人工掃碼加料，當(dāng)啟動(dòng)設(shè)備后，托盤(pán)上的信息會(huì)通過(guò)RFID傳送到客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)中并保存，然后再通過(guò)吹風(fēng)清潔、ECU盒蓋點(diǎn)膠及視覺(jué)檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到不合格產(chǎn)品時(shí)，氣缸動(dòng)作，不合格產(chǎn)品送達(dá)至指定位置放置，若未到達(dá)指定位置，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出異常報(bào)警，所有輸出位將重置，等待人工處理完畢后再重新開(kāi)始工作。當(dāng)裝配線托盤(pán)通過(guò)不同工位進(jìn)行ECU配件裝配時(shí)，因安全因素引起的設(shè)備報(bào)警，裝配線立即自動(dòng)停止。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、人機(jī)界面觸摸屏、工業(yè)機(jī)器人、安全系統(tǒng)、傳感器、電磁閥、二維碼掃描、RFID系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)等裝置等組成，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［6］如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中央控制器的選型上會(huì)將PLC作為主控，PLC全稱(chēng)為可編程邏輯控制器，具有很強(qiáng)的功能指令，比如順序控制、邏輯運(yùn)算、定時(shí)控制等［7］。并可通過(guò)PROFINET［8］實(shí)現(xiàn)與人機(jī)界面觸摸屏［9］、二維碼掃描［10］、工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信交互。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程I／O從站、氣缸電磁閥、光電開(kāi)關(guān)等信號(hào)交互，進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的控制。因此，本系統(tǒng)控制器采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-1500系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)ECU裝配過(guò)程的自動(dòng)化控制。

工業(yè)機(jī)器人涂膠系統(tǒng)通過(guò)PROFINET接收PLC控制信息，自動(dòng)完成涂膠任務(wù)，實(shí)時(shí)記錄涂膠量及相關(guān)數(shù)據(jù)，并反饋給主站PLC及涂膠機(jī)。該工業(yè)機(jī)器人的主要特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高；IP等級(jí)高；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；耐熱耐高溫；支持在線和離線編程。

通過(guò)人機(jī)界面觸摸屏對(duì)ECU裝配線運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。其他硬件如急停開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)和停止按鈕、傳感器、安全光幕、電磁閥等連接至遠(yuǎn)程I／O從站通過(guò)PROFINET實(shí)現(xiàn)與主站PLC通信交互。所以人機(jī)界面人性化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

二維碼掃碼系統(tǒng)對(duì)ECU上下盒二維碼進(jìn)行掃描并與客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比成功后設(shè)備方能啟動(dòng)。該掃碼系統(tǒng)由二維碼、PLC、客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)相銜接。二維碼中含有編號(hào)、名稱(chēng)、規(guī)格、型號(hào)、出廠日期等相關(guān)信息記錄。在ECU裝配之前通過(guò)掃碼，嚴(yán)格確保所有材料的準(zhǔn)確性，為生產(chǎn)調(diào)度和訂單安排提供依據(jù)。

RFID系統(tǒng)［11］是當(dāng)托盤(pán)移動(dòng)到不同工位時(shí)都會(huì)被記錄。RFID芯片被安裝在設(shè)備物料托盤(pán)上。在設(shè)備進(jìn)行組裝作業(yè)時(shí)，其各工位各自完成作業(yè)，所需原料資料信息、托盤(pán)工位編號(hào)、組裝等實(shí)際情況將記錄在RFID芯片上。每個(gè)貨盤(pán)到達(dá)后，RFID芯片自動(dòng)記錄一次。每一次被記錄的信息采用以太網(wǎng)方式上傳至客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存。該系統(tǒng)通過(guò)RFID采集數(shù)據(jù)并記錄各個(gè)工位環(huán)節(jié)信息，確保能及時(shí)和準(zhǔn)確地掌握裝配線的真實(shí)生產(chǎn)情況。

2.1 電氣控制系統(tǒng)硬件組成

電氣控制系統(tǒng)硬件主要由基板、PLC CPU模塊、PROFINET主站通訊模塊、觸摸屏、遠(yuǎn)程I／O從站模塊、輸入／輸出模塊等組成。

2.2 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)置

PROFINET專(zhuān)用通訊電纜用于連接PLC主站、遠(yuǎn)程I／O從站和機(jī)器人并形成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。硬件設(shè)置主要包括：（1）站號(hào)名稱(chēng)；（2）本地ID號(hào)；（3）特殊連接屬性；（4）組態(tài)配置IP地址等。

2.3 電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)置

在PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接及配置如圖4所示，完成組態(tài)配置后需要對(duì)遠(yuǎn)程I／O站進(jìn)行地址分配等。

圖4 從站信息設(shè)置

2.4 程序設(shè)計(jì)

ECU裝配線程序主要包含PLC程序、觸摸屏程序及工業(yè)機(jī)器人示教程序等，并對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行簡(jiǎn)介。

2.4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序框架如圖5所示。

圖5 PLC程序構(gòu)架

（1）系統(tǒng)自動(dòng)／手動(dòng)操作：在自動(dòng)或手動(dòng)狀態(tài)下，滿(mǎn)足所有安全信號(hào)，方可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操作。

（2）ECU配件掃碼管理：客戶(hù)通過(guò)人機(jī)界面觸摸屏檢查ECU裝配件信息，如配件序列號(hào)、入庫(kù)信息等。所有信息會(huì)定期自動(dòng)化發(fā)送至客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行備份，確?？蛻?hù)進(jìn)行追溯等管理需求。

（3）物料裝配件掃碼：動(dòng)態(tài)識(shí)別配件產(chǎn)品型號(hào)。與客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行對(duì)比，將結(jié)果傳送給PLC和機(jī)器人。

（4）托盤(pán)FRID掃描：托盤(pán)上裝有RFID芯片，托盤(pán)移動(dòng)到不同工位時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄一次。主要記錄ECU裝配過(guò)程中是否有異常報(bào)警信息。

（5）視覺(jué)檢測(cè)：在自動(dòng)狀態(tài)下，滿(mǎn)足條件后，可實(shí)現(xiàn)涂膠檢測(cè)。

（6）人機(jī)界面交互：操作或管理人員可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)觀察裝配生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)，而維修或研發(fā)人員可以通過(guò)權(quán)限進(jìn)入調(diào)試、修改、維護(hù)、生產(chǎn)管理等高級(jí)功能。

（7）系統(tǒng)異常報(bào)警：ECU裝配線運(yùn)行過(guò)程中的異常記錄。

PLC使用SCL語(yǔ)言［12］編程將所有工位啟動(dòng)判斷條件使用全局變量部分程序如下：

（1）IF RelAuto AND＃tDiDVC.di_CycleOn AND

DiDVC.di_ProgReady AND DiDVC.di_JobReady

（2）DiDVC.di_JobReady AND tProgMirrorOK AND tJobMirrorOK AND tTypeMirrorOK AND

（3）DiDvc.di_inHome

（4）or tobj.Gen.In.ProgNo＝

PROG_MOVEHOME，THEN SSqstep：＝SQ_SEND_START；sStartSqTimeout：＝False；END_if；

其中使用IF和AND進(jìn)行條件判斷時(shí)，保證每個(gè)工位運(yùn)行前的一致性檢查。比如工業(yè)機(jī)器人是否在指定位置，涂膠機(jī)是否準(zhǔn)備完畢等。

2.4.2 控制系統(tǒng)PLC I／O地址

從ECU自動(dòng)裝配線的控制要求可以看出，系統(tǒng)需要硬件組態(tài)配置輸入、輸出信號(hào)等相關(guān)信號(hào)，輸入／輸出信號(hào)地址部分配如表1所示。

表1 I／O地址分配表

2.4.3 人機(jī)界面畫(huà)面組態(tài)

（1）人機(jī)界面觸摸屏中設(shè)有主屏、手動(dòng)操作屏、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、報(bào)警等。當(dāng)觸摸屏開(kāi)啟時(shí)，手動(dòng)點(diǎn)擊主屏幕上的按鈕進(jìn)入相應(yīng)的操作屏。在設(shè)備系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行畫(huà)面上顯示整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)。紅色表示生產(chǎn)線停止、黃色表示異常狀態(tài)、綠色表示正常運(yùn)行狀態(tài)、藍(lán)色則為生產(chǎn)線正在維護(hù)中。具體界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)工作界面

（2）報(bào)警故障監(jiān)控界面：主要負(fù)責(zé)記錄設(shè)備各種故障的發(fā)生情況，分析與統(tǒng)計(jì)故障原因，為設(shè)備維護(hù)提供一定的參考依據(jù)，具體界面如圖7所示。

圖7 報(bào)警故障監(jiān)控界面

（3）參數(shù)配置界面：主要為設(shè)備電氣工程師等設(shè)計(jì)人員開(kāi)放，在此界面為操作員提供了手動(dòng)操作模式下裝配線每個(gè)工位操作按鈕，顯示每個(gè)工位的操作狀態(tài)。手動(dòng)操作過(guò)程中，手動(dòng)操作界面主要用于設(shè)備的日常維護(hù)、調(diào)試，比如實(shí)現(xiàn)設(shè)備中氣動(dòng)元器件、伺服電機(jī)等相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的點(diǎn)動(dòng)控制等。具體人機(jī)界面如圖8所示。

圖8 參數(shù)配置界面

2.4.4 工業(yè)機(jī)器人涂膠系統(tǒng)

愛(ài)普生SCARA工業(yè)機(jī)器人［13］用于該生產(chǎn)線，該機(jī)器人在有限的平面空間內(nèi)能靈活定位，可以執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制，并具有運(yùn)行速度快、可做點(diǎn)位和連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。其中，點(diǎn)位能準(zhǔn)確找到執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)了極短的循環(huán)時(shí)間和極高的重復(fù)定位精度。并且適用于蓋件、硬盤(pán)拋光、盒式磁帶組裝、高精度驅(qū)動(dòng)組裝等作業(yè)。因此，ECU裝配線中點(diǎn)膠工位采用該工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制。其編程思路如圖9所示。

圖9 工業(yè)機(jī)器人涂膠流程

2.4.5 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

視覺(jué)檢測(cè)攝像頭采集ECU組裝時(shí)涂膠是否符合工藝要求。圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析比較，對(duì)采集到的數(shù)字代碼進(jìn)行智能處理與判斷，對(duì)缺陷進(jìn)行判斷與統(tǒng)計(jì)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給PLC控制系統(tǒng)［14］。如果不符合涂膠工藝要求，不合格的ECU將被PLC驅(qū)動(dòng)氣缸剔除。同樣在另一個(gè)工位智能攝像頭采集ECU組裝后上下盒壓合處縫隙的外觀圖像并進(jìn)行檢測(cè)。視覺(jué)檢測(cè)工作流程如圖10所示。

圖10 視覺(jué)檢測(cè)流程

其中，已達(dá)到接近98%的缺陷拒收概率。針對(duì)缺陷這個(gè)問(wèn)題，在視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中采用了模板匹配的圖像處理算法。具體的實(shí)現(xiàn)方法是事先采集相應(yīng)的合格ECU符合要求的涂膠數(shù)量及上、下盒中空隙特征圖，并將其存入標(biāo)準(zhǔn)模板。系統(tǒng)工作時(shí)，每一張ECU圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行模板匹配識(shí)別，獲得當(dāng)前的相似系數(shù)。通過(guò)與對(duì)比預(yù)設(shè)的相似度閾值進(jìn)行比較，可以判定是否存在缺陷。

3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)表2所示對(duì)比分析可知，自動(dòng)化裝置設(shè)備比人工操作節(jié)約了50%的人力和工時(shí)，減少點(diǎn)膠量使用量25%，視覺(jué)檢測(cè)耗時(shí)量減少75%，壞品率減少11%左右，使成品率增加了15%。由上可知自動(dòng)化裝置設(shè)備更加節(jié)約人工和材料成本，大大提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。

表2 人工與自動(dòng)化裝配效率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

該控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)。全系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，故障率低，維修和操作簡(jiǎn)便，裝配精度高，提高了ECU自動(dòng)化生產(chǎn)效率，在滿(mǎn)足客戶(hù)的生產(chǎn)需求同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。利用可編程序控制器PLC作為控制系統(tǒng)，既能節(jié)約大量的人力、物力，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。觸摸屏幕具有方便直觀的系統(tǒng)圖形和功能強(qiáng)大的報(bào)表記錄系統(tǒng)。同時(shí)通過(guò)掃碼系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)與客戶(hù)制造執(zhí)行系統(tǒng)相整合，使得客戶(hù)能夠通過(guò)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行記錄。當(dāng)前，該裝配線電氣系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。