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机器人安全气囊引爆组件柔性制造检测系统

文档作者：孙勤，陈哲希，林琼，吴陈钏文档来源：上海电气自动化设计研究所有限公司		点击数：	更新时间： 2021年12月06日
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机器人安全气囊引爆组件柔性制造检测系统
孙勤，陈哲希，林琼，吴陈钏
(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海200023)
摘 要：汽车安全气囊引爆组件机器人自动生产系统是通过一台工业机器人与注塑机配合完成。原料与注塑后的产品分别通过两套 工业相机进行检测。通过可编程的机器人和视觉相机,操作人员可以从触摸屏上选择不同的产品型号,PLC会调用相应的机 器人和视觉检测程序，以完成各类产品的周期生产,实现了气囊组件柔性制造的需求。
关键词：柔性制造;安全气囊;工业机器人;视觉检测;可编程逻辑控制器
DOI: 10.3969/j • issn. 1000 - 3886.2014.05.030
［中图分类号］TP23 ［文献标志码］A ［文章编号］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
汽车安全气囊是人们在汽车碰撞事故中，为保证乘员的生命 安全，减少因事故造成的人员伤亡而研究开发的汽车安全保护装 置。如今汽车安全气囊对减少汽车碰撞造成的人员生命财产损 失起到了越来越重要的作用，据专家测算，在汽车安装安全气囊 后，当发生汽车碰撞事故中，乘员的生还率可以提高70%以上， 若碰撞发生在汽车前部,装有安全气囊的汽车驾驶员，其死亡率： 大客车降低30%，中客车降低11%，轿车降低14% ［1］。
在汽车安全气囊生产过程中，引爆组件是安全气囊装置中的 核心组件，它的作用是引燃产生气体的药粉，保证气囊可以以足 够快的速度产生足够体积的气体，引爆组件最突出的特点是燃爆 品，可以在几段的时间(0.03 - 0.05 s)内使环境发生剧烈变 化⑵。它是由一块用于装填炸药粉的金属底盘和一枚带有两个 针脚的引爆器通过注塑组成。本系统由1台工业机器人配合1 台注塑机,并通过2套工业相机及传感器检测，完成引爆组件的 周期生产。由于市场上汽车类型繁多，为了匹配不同类型汽车的 使用需求，引爆组件被制作成外形颜色各异的许多种类。为了满 足该产品多品种柔性制造的需求，系统通过在HMI触摸屏上选 择不同的组件型号，使系统调用不同的机器人及工业相机检测程 序，从而达到一机多用的生产需求。
1系统框架
安全气囊引爆组件制造系统是由1台双模注塑机、1台
定稿日期：2014-08 -12
甚金项目：本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助，资助课 题编号为12DZ2250900

FANUC LR Mate - 200iC工业机器人、1套HMI触摸屏及2套 COGNEX In - sight系列工业相机组成。通过PLC控制,机器人 自动为注塑机上下料,并由两套工业相机对原料及成品进行质量 检测。如图1所示，控制装置使用AB公司的1756系列PLC (Programmable Logic Controller)，注塑机通过 I/O 电缆接入 PLC 模块，机器人通过DeviceNet总线接入PLC.2套工业相机及触摸 屏通过以太网接入PLC0 DeviceNet是由罗克韦尔旗下Allen - Bradly公司研制开发，DeviceNet的数据链路层完全遵循CAN (Controller Area Network)规范的定义,并通过CAN控制器芯片实 现⑶o机器人使用DeviceNet总线连接PLC,具有可扩展、效率高 等特点。连接时，首先需要在PLC端导入FANUC机器人的EDS 文件,EDS文件记录了 DeviceNet网络上设备通信的属性,包括传 输速率，输出类型等。然后在机器人端将I/O分配到DeviceNet 网络地址上，机器人外部输入信号如表1所示，外部输出信号如 表2所示。
注塑前后原料及成品的检测是通过两套康耐视In - Sight系 列工业相机完成。康耐视是最先进的视觉工具之一，其技术已广 泛地用于工业生产中。康耐视系统的硬件部分有智能图像传感 器及配套照明系统、I/O模块和以太网串行转换器；软件部分有 内嵌图像处理软件Intellect,该系统可以方便地制作图像处理产 品⑷。两套工业相机的检测数据是通过以太网传输给PLC。将 相机设置成同PLC相同的网段中，完成连接。工业相机的输入 是通过将PLC传输来的数据读取后放入程序中设定的Formatln- putBuffer中，输出则是将检测好的数据放入程序FormatOutput- Buffer中，然后PLC从缓冲器中读取。数据输入包括了当前需要 检测的产品型号、检测位信号，输出则包括各项任务的检测结果。 
 
输入输出都是以32位整数的形式传输。除了通过以太网连接， 工业相机还需使用离散I/O向PLC传输2个自定的专用信号，包 括了相机的运行状态和程序处理情况。这些信号都接入AB公 司1734 - AENT远端模块上的输入模块中。1734 - AENT则通过 以太网完成连接”

图1系统网络连接图
表1机器人外部输入(UI)信号配置
UI号	信号名称	信号内容
UI[1]	* 1MSTP	紧急停机信号
UI[2]	* HOLD	暂停信号
UI[3]	♦ SFSPD	安全速度信号
UI[4]	CSTOPI	周期停止信号
UI[5]	FAULT_RESET	报警复位信号
UI[6]	START	外部启动信号
UI⑻	ENBL	使能信号
UI[9]	RSR1/PNS1	程序号选择信号
UI[10]	RSR2/PNS2	程序号选择信号
UI[11]	RSR3/PNS3	程序号选择信号
UI[12]	RSR4/PNS4	程序号选择信号
UI[17]	PNSTROBE	PNS滤波信号
表2	机器人外部输出(UO)信号配置
UO号	信号名称	信号内容
UO[1]	CMDENBL	命令使能信号输出
U0[6]	FAULT	错误输出
U0[9]	BATALM	电池报警输出
U0[10]	BUSY	处理器忙输出

系统使用AB公司PANEL View系列触摸屏.触摸屏是人机 互动的媒介触摸屏通过以太网连接PLC,操作人员可以通过触 摸屏更换生产型号,启动机器人特定程序，并可实时读取检测 数据。
2生产流程
汽车安全气囊引爆组件生产系统是以工业机器人为主体，为 注塑机自动上下料，配以视觉系统检测来完成的。系统使用的是 1台双模注塑机,2个模具可以旋转交互运作，这样就可以实现上 料和注塑同时进行,每个模具中有4个注塑腔，每个注塑腔的中 央都有2个小孔。上料时，机器人通过特制的手爪将4个底盘同 时放人4个注塑腔中,然后将4个引爆器同时插入小孔中”由于 引爆组件是安全气蟆的核心部件，其原料的使用和成品的质量都 需要严格把控。所以当机器人为注塑机上料完毕后，需要1套彩 色200万像素的COGNEX工业相机对原料进行检测，原料检测 相机安装于注塑机顶端，对注塑机模具上的4个注塑腔一次性全 部检测。检测通过后，注塑机开始注塑。当注塑完成后，机器人 取出成品,并通过1台彩色30万像素相机对成品的注塑质量进 行检测。成品检测相机安装于注塑机旁-•侧，机器人将手爪中4 个成品移动到相机镜头面前逐一进行检测

图2机器人周期流程图
系统使用FANUC I.R Mate -2001C工业机器人，该型号机器 人为6自由度中小型机器人，臂长704 mm,最高运行速度4 000 mm/s,手臂负重5 kg,重复定位精度±0.02 mm⑶，完全可以精确 地将引爆器引脚插入模具孔中。机器人是通过PNS方法被PLC 调用。在每个生产周期，机器人都会被调用1次，通过Devi- ceNet,机器人会从PLC接受注犁机运转信号，光栅信号，传感器 信号及成品质量是否通过信号”其1个周期的运转流程如图2 所示。
3视觉系统检测
3.1原料检测相机
在注塑机启动注塑前，原料检测相机需对模具中的金属底盘 和引爆器进行检测。检测要求随着不同的型号会有变化，通过接 收PLC发来的选型信号，相机内部会调用不同的检测程序。其 需要实现的功能如下：
(1)	机器人摆放原料到模具前:保证模具内没有干涉物
(2)	机器人摆放原料到模具后：检测金属底盘是否存在，金 属底盘摆放是否歪斜，引爆器是否存在,引爆器颜色是否正确
机器人摆放原料到模具前要确保模具里没有干涉物。相机 通过对模具上4个空腔内的固有黑色图形进行识别学习，当有金 属底盘或其它干涉物覆盖在上面时，相机便无法检测到该图形， 这样便阻止机器人进行上料.保证生产安全。机器人摆放好原料 后会触发相机拍照，得到如图3的照片。
 
图3原料检测相机图像捕捉

相机通过建立一个颜色库(TrainExtractColor)来与模具上的 四个引爆器颜色做匹配，若检测出的颜色与生产所需的颜色匹 配，则说明引爆器存在并且颜色正确；若检测出的颜色与所需的 颜色不匹配，则说明引爆器颜色错误;若检测的颜色无法在颜色 库里找到.则说明引爆器没有准确插到指定位置。
通过使用FindPattem识别模具空腔内的固有图形可以判断 金属底盘是否存在，若匹配到固有图形，则该腔为空，金属底盘不 存在;若无法匹配，则说明金属底盘已将图形覆盖住.金属底盘 存在。金属底盘是否放歪斜是通过FindLine找出每个底盘的左 右两个边和底边，并计算出左边界和底边的交点坐标及右边界 与底边的交点坐标.然后再分别计算这两个点到模具底部边沿 的垂直距离,通过比较距离，可以计算检测出金属底盘是否放 置准确。
3.2成品检测相机
成品因为注毀机每次注魁情况、温度髙低的不同会有差异， 所以需要进行严格的质量监控，对于不合格的产品需要通知机器 人废弃处理”成品相机通过一个结构光源横向安装于注塑机侧 边，机器人会将成品放到相机面前,一边移动一边逐一触发相机 捕捉照片,对于不同型号的产品，成品相机也将调用不同的程序。 其检测需要实现的功能如下：
(1)	检测要求产品注蜩不良、注塑毛边毛刺、注塑颜色、 引脚歪斜、引脚装配不到位、引脚方向反、部件漏装。
(2)	检测速度小于0.5 s检测一次。
(3)	检测精度 ±0.2 mm。
通过图像捕捉，成品检测相机可以得到如图4所示的成品 图像。由于机器人每次定位略有不同，成品在图像上的位置也 会有偏移。因此需要通过FindCircle取得成品外圆轮廓的圆 心，以其作为检测项目的参照点。引脚检测是成品质量的最重 要指标，引脚的检测可以通过ExtractBlob工具取得两个斑点 PIN1和PIN2的中心数据,若找到的斑点数不足2个，则说明引 脚有缺失。然后运用PointToPoint I：具测得两斑点中心之间的连 线长度厶，分别作圆心到两斑点中心距离厶和2,然后根据式 (1)，若差值L„超过规定范围，则表示2根引脚与圆心直线度不 符合规定。
Lo = (£, +£2) -Z	(1)
注塑质量是以参照圆为基准，使用ExtractBlob工具检测圆外 注塑飞边的像素总值，若大于规定像素量，则判别注塑情况不良； 注塑颜色是通过建立颜色库，与成品注塑颜色进行比较，可以判 别注塑颜色是否准确。工业相机会将所有检测结果发送给PLC, PLC将结果统一处理后，若有一项不合格便会通知机器人废弃该 成品。

图4原料检测相机图像捕捉
4结束语
汽车安全气囊引爆组件制造系统通过使用可拓展的总线连 接，可编程的工业机器人及工业相机，通过在触摸屏上选择不同 的型号,PLC可以快速地做出反应，调用不同的机器人上下料程 序及视觉检测程序，完成各种各样引爆组件型号的生产,满足当 下汽车行业需求种类繁多，产品柔性制造的需求。
参考文献：
[1]	金加龙.汽车安全气囊的发展[J].浙江交通职业技术学院学报， 2002,3(1):19-23.
[2]	曹雄，刘瑛，胡双启•汽车安全气囊气体发生器件能测试研究[J]•中 北大学学报,2005,26(6) ：428 -431.
[3]	王桂荣，钱剑敏.CAN总线和基于CAN总线的高层协议[J]・计算机 测量与控制.2003,11(5)： 391 -394.
[4]	孙吉,薛守刚•康耐视产品在埋弧焊焊缝跟踪系统中的应用[J].焊 管,2009,32(11 ):32-35.
[5]	上海发那科机器人有限公«j.LR Mate 200iC Series [ K].上海：2012.
【作者简介】孙勤(I960 -),男，上海人，本科，上海电气自动化设计研究 所有限公司高级工程师，主要从事自动控制，机器人开发与应用等方面的 研究。

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