一種用于新能源汽車(chē)空調(diào)旋轉(zhuǎn)按鈕的自動(dòng)化智能化組裝設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

楊氟，楊康民

（1.西安薪海精誠(chéng)智能科技有限公司，陜西 西安 710000；2.陜西鑫盛強(qiáng)園林建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著世界的發(fā)展，能源問(wèn)題成了人類(lèi)的重要問(wèn)題。在當(dāng)代，中國(guó)的新能源汽車(chē)飛速發(fā)展，已經(jīng)走在了世界的前列。因而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化組裝設(shè)備或者產(chǎn)線(xiàn)對(duì)企業(yè)和國(guó)家的發(fā)展都有著很大的推動(dòng)作用。目前雖然已經(jīng)有很多自動(dòng)化智能化設(shè)備應(yīng)用到新能源汽車(chē)行業(yè)，給企業(yè)的發(fā)展提供了一定的幫助。但是宏觀角度看，我國(guó)的新能源汽車(chē)行業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的水平還需要加快腳步，與時(shí)俱進(jìn)。隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的人工成本也不斷加大，再加上近年的疫情，許多企業(yè)面臨招工難的問(wèn)題，現(xiàn)在的產(chǎn)能完全不能滿(mǎn)足企業(yè)的發(fā)展，針對(duì)這種現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一種用于新能源汽車(chē)空調(diào)旋轉(zhuǎn)按鈕的自動(dòng)化智能化組裝設(shè)備，來(lái)解決企業(yè)發(fā)展的困難[1-2]。

1 產(chǎn)品組成簡(jiǎn)介

本文所研發(fā)的這款設(shè)備，主要想解決這款產(chǎn)品的組裝問(wèn)題，這款產(chǎn)品主要由：A、B、C、D、E五款零件組成，其組裝工藝比較復(fù)雜。其中最難操作的主要組裝工位是：①將E的孔裝入B的柱上；②將C的凹槽卡入B的凸槽；③對(duì)組裝的每步工位進(jìn)行OK品檢測(cè)。這三點(diǎn)人工操作有些復(fù)雜，如果長(zhǎng)時(shí)間操作會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)率增加，因?yàn)槿藭?huì)產(chǎn)生疲勞和情緒。

為了解決這些難點(diǎn)問(wèn)題，筆者研發(fā)了一款解決此困難的設(shè)備，接下來(lái)將從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)說(shuō)明。

2 設(shè)備主要組成部

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

機(jī)械機(jī)構(gòu)部分是本設(shè)備的骨骼框架。機(jī)械機(jī)構(gòu)部分在整個(gè)設(shè)備中主要包括：機(jī)架部分、機(jī)罩部分以及安裝大板上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助的緊固結(jié)構(gòu)。一個(gè)好的機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)對(duì)整臺(tái)設(shè)備來(lái)說(shuō)是很重要的[3]。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是環(huán)形滑軌，環(huán)形滑軌上的治具通過(guò)控制單元，將其運(yùn)行到相應(yīng)的工位，之后再通過(guò)限位機(jī)構(gòu)將其精準(zhǔn)定位，最后方便其他機(jī)構(gòu)或者機(jī)器人進(jìn)行各自作業(yè)要求。

2.2 機(jī)器人部分

機(jī)器人部分在本設(shè)備中相當(dāng)于人的手臂。機(jī)器人部分在整個(gè)設(shè)備中的主要作用：（1）機(jī)器人通過(guò)自己學(xué)習(xí)的機(jī)械點(diǎn)位將X處的零件搬運(yùn)至Y處，單純地走點(diǎn)位搬運(yùn)。在此處第一個(gè)作用的目的是：a.提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量；b.用機(jī)器人替代工人減少人工成本。（2）機(jī)器人與其他控制器的交互作業(yè)：a.機(jī)器人和PLC的相互溝通；PLC將指令通過(guò)TCP協(xié)議或者串口等通信方式將指令輸入給機(jī)器人，讓機(jī)器人去指定的位置工作。b.機(jī)器人和視覺(jué)的相互溝通：①機(jī)器人配合視覺(jué)完成九點(diǎn)標(biāo)定功能；②機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)輸入的指令進(jìn)行指定位置的作業(yè)。最終配合完成本設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品工藝流程。

2.3 視覺(jué)部分

機(jī)器人視覺(jué)部分在本設(shè)備中相當(dāng)于人的眼睛，他有一套自己的軟件系統(tǒng)。機(jī)器人視覺(jué)部分在整個(gè)設(shè)備中的主要作用是檢測(cè)，而檢測(cè)的方向有兩點(diǎn)：

（1）僅僅檢測(cè)產(chǎn)品是好的還是壞的。通過(guò)特定崗位的工藝，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的一套相適應(yīng)的算法，對(duì)于產(chǎn)品的好壞檢測(cè)。那么視覺(jué)控制器里會(huì)有一套好壞檢測(cè)算法在視覺(jué)控制器中，如果檢測(cè)的產(chǎn)品是壞的，那么視覺(jué)控制系統(tǒng)將發(fā)送一個(gè)事先與主控PLC（或者機(jī)器人）商定好的協(xié)議，告訴主控PLC（或者機(jī)器人）去相對(duì)應(yīng)地好壞處理。

（2）檢測(cè)產(chǎn)品中零件與零件之間的定位問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題，視覺(jué)系統(tǒng)需要和機(jī)器人相互配合。具體實(shí)現(xiàn)步驟：

a.將視覺(jué)系統(tǒng)硬件部分裝在機(jī)器人本體上；

b.機(jī)器人的本體和控制器配合視覺(jué)的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行九點(diǎn)標(biāo)定或者12點(diǎn)標(biāo)定等等；

c.機(jī)器人將視覺(jué)移動(dòng)到被測(cè)零件上拍照；

d.視覺(jué)系統(tǒng)將抓取的照片進(jìn)行一系列算法分析得出位置坐標(biāo)；

e.視覺(jué)系統(tǒng)將需要補(bǔ)償?shù)淖鴺?biāo)量告訴機(jī)器人；

f.機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)的補(bǔ)償坐標(biāo)量和指令正確的計(jì)算調(diào)整后將零件裝入另一個(gè)零件中。

2.4 運(yùn)動(dòng)控制部分

運(yùn)動(dòng)控制部分在本設(shè)備中相當(dāng)于人體的心臟。在本設(shè)備中的主要運(yùn)動(dòng)控制單元是PLC，運(yùn)動(dòng)控制部分在整個(gè)設(shè)備中的主要作用是控制所有執(zhí)行單元或者執(zhí)行件遵循產(chǎn)品的組裝工藝流程去完成產(chǎn)品的高效生產(chǎn)。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a.PLC根據(jù)組裝工藝在相應(yīng)點(diǎn)位控制氣缸和電機(jī)；

b.PLC作為主控去控制機(jī)器人取放點(diǎn)位；

c.PLC作為主控與視覺(jué)配合去控制機(jī)器人、電機(jī)和氣缸的運(yùn)動(dòng)。

3 設(shè)備解決問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備主要組成部分相互之間聯(lián)系的工作原理

本文根據(jù)工藝精度要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算后決定采用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人，所用的機(jī)器人是由機(jī)器人控制器和機(jī)器人本體組成，與外部通過(guò)TCP通訊保持聯(lián)系。視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)工藝精度要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算后決定采用國(guó)產(chǎn)視覺(jué)，所用視覺(jué)系統(tǒng)是由硬件部分：相機(jī)、鏡頭、光源、PC組成和軟件部分：以上位機(jī)軟件為主，本文采用基于Windows開(kāi)發(fā)平臺(tái)上位機(jī)。與外部通過(guò)TCP通訊保持聯(lián)系[4-5]。主控部分根據(jù)工藝精度要求和成本，決定采用PLC，如果不考慮成本，而是根據(jù)各個(gè)工程師擅長(zhǎng)應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行選擇，那么也可以選擇總線(xiàn)型方式或者采用一體化軟件控制等等其他控制方式，與外部通過(guò)TCP通訊保持聯(lián)系[6]。最后PLC將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸送到MES系統(tǒng)供給不同部門(mén)使用：工作人員通過(guò)設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和報(bào)警等實(shí)時(shí)信息高效率地完成生產(chǎn)；設(shè)備維修保養(yǎng)員通過(guò)后臺(tái)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)；企業(yè)家通過(guò)MES系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出最準(zhǔn)確的籌劃。

由于各個(gè)IO擴(kuò)展模塊的成本或者串口模塊成本相比于TCP通訊成本較高，所以本文各主要組成部分相互之間的聯(lián)系采用的是TCP 通訊方式，包括后續(xù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也是通過(guò)TCP通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[7]。各主要組成部分相互之間的工作原理如下圖1所示。當(dāng)然，IO模塊或者串口模塊也可以保證各個(gè)組成部分之間相互有效聯(lián)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)試，本設(shè)計(jì)設(shè)備成功提高了生產(chǎn)率。在調(diào)試過(guò)程中，本設(shè)計(jì)設(shè)備能夠自主較好地在設(shè)定的工藝流程上進(jìn)行工作，判斷產(chǎn)品是否合格，檢測(cè)是否正確，運(yùn)行是否繼續(xù)，數(shù)據(jù)是否上傳等等，可順利完整地完成工藝組裝任務(wù)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計(jì)設(shè)備實(shí)物調(diào)試場(chǎng)景示意圖如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的一種用于新能源汽車(chē)空調(diào)旋轉(zhuǎn)按鈕的自動(dòng)化智能化組裝設(shè)備在考慮到成本和生產(chǎn)效率的前提下選擇了一種性?xún)r(jià)比較高的硬件以及軟件的組合設(shè)計(jì)，為處在人工成本高和新能源快速發(fā)展的風(fēng)口的企業(yè)提供了更高的效率，使創(chuàng)業(yè)的企業(yè)家在這種競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中感受到高科技設(shè)備給公司帶來(lái)的利益。下一步我們可以再以高自動(dòng)化、高智能化程度為主，以設(shè)計(jì)成本為輔，可以兼容更多相關(guān)設(shè)備甚至全部的相關(guān)設(shè)備，并且可以輸出更多的其他設(shè)備都可以接收到的有用數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)理念下，去設(shè)計(jì)企業(yè)需要的設(shè)備。希望可以為我國(guó)的智能制造事業(yè)真正地奉獻(xiàn)出自己的一份力量。