总装车间继电器安装自动化的应用

姜威，高勇，秦子铭，刘健华

（广汽本田汽车有限公司总装部，广东 广州 510700）

前言

汽车总装车间主要功能是整车装配，装配零件多、形状各异、功能不同，而生产工位总是处于流水线移动状态下，使得总装车间采用自动化设备代替人工作业难度较大，尤其对一些品质管理要求高或者安装精度高的作业项目。

视觉识别、视觉引导等机器视觉技术和传感器技术、工业机器人技术迅速发展。随着人力成本日益高涨，总装领域导入自动化设备的需求日趋紧迫，汽车装配作业自动化的趋势日益明显。

汽车车载线束是汽车总线的主要实物载体之一。车载ECU通过控制线束上的继电器的通断[1]，实现汽车主要的电气控制功能。比如大灯、刹车油泵等。现阶段，总装车间采用人手将继电器按压到线束的继电器插槽中。

1 继电器安装现状

继电器是整车机能的重要部件，安装规格要求很高。

继电器和线束上继电器插槽需要完全贴合。某车厂所有的继电器安装时手感压入的压力在60～80N之间，继电器插针插入到槽位的插入量在 15±1mm，长时间作业会引起作业人员按压的手部劳损。总装装配节拍50.1s，不同车型机舱线束需要安装的继电器数量在12～20颗不等，手安装单颗继电器人时间为3.6s，为降低手动安装漏装风险，单一线束继电器设置多人、多岗安装。继电器零件在包装、运输和安装过程中需要被严格保护好[2]，保证继电器零件品质稳定。

图1 车载线束

图2 继电器安装到线束上

2 电器自动安装的难点

基于人手安装线束继电器的现状，总结出某车厂继电器安装的主要难点有以下几个方面：

2.1 继电器零件物流过程中质量管控难点

机舱线束继电器属于品质管理要求高的精密电器件，整个物流过程中需要严格控制继电器的状态，以杜绝继电器零件被物流过程不良隐患。具体表现在，继电器安装到线束上继电器槽位之前，继电器受到外力冲击（如跌落地面）和挤压（如继电器堆积），该继电器报废处理。此外，物流过程中还需要保证继电器针脚无灰尘，无变形。

图3 继电器零件物流过程

图4 继电器到作业现场四种包装状态

2.2 继电器安装规格区分难点

某车厂各车型机舱线束所需安装的继电器种类有 7种（有2种继电器颜色相同，共6种颜色），外形和尺寸相仿，与之对应的线束上多个继电器槽位相互之间也相仿，人手作业时，就存在容易错装的课题。自动安装时，如何保证相应规格继电器被正确抓取和安放到线束上正确的槽位上，需要有完善的保证方案。

2.3 继电器安装节拍难点

如上文所述，现状单一线束继电器最大数量20颗。在继电器自动化安装项目论证期，模拟验证投放和整理线束时间约 20s，按照现有总装节拍设定，即单条线束继电器自动安装最多 30s，折合单颗继电器安装需要时间≤1.5s。1.5s时间内完成继电器抓取、安装、状态判断，这种节拍强度相对继电器安装而言，实现难度较大。

2.4 继电器安装的精度方面难点

机舱线束继电器槽位长边（5.15±0.1mm），窄边（1.025±0.1mm），继电器插针长边（4.8±0.1mm），窄边（0.8±0.1mm），继电器四根插针和槽位的四个插孔需要在（X-Y-Z-RXRY-RZ）六个维度高度吻合，否则会出现继电器无法插入到槽位中。

图5 继电器安装和安装槽位

槽位定位的精度方面的难点具体体现在：①线束上的槽位盒外形不规则，没有定位工艺参照，定位困难。②多车性共线生产，定位机构即要考虑单车型的稳定性，也需要兼顾多车性的通用型。③并且线束外侧属于外观件，外伤管理要求严格，不能有损伤。

2.5 继电器安装状态管控的难点

安装完成后继电器插针的状态难以目视确认。线束通电测试需要在整车出车后才能进行，如何判断继电器安装完成后，安装状态是否良好，需要谨慎设置判断参数，才能有效管控继电器安装的品质。

能否解决以上五大方面的难点，是继电器安装能否实现自动安装的必要条件。

3 继电器自动安装的实现方法

为解决上述难点问题，最终方案采用两套 Delta并联机器人和两套视觉引导相机，以及必要的辅助机构，在占用空间最小的情况下，实现了继电器的自动安装。实现方法介绍如下：

3.1 包装标准化

电器供料包装形式各异，大小不一，设计适合所有包装的上料机构不经济，且浪费现场空间。如何将多规格的来料包装转换成标准化的包装，是自动化上料的基本条件。

如图6所示，是一个继电器转换用标准托盘。将该托盘倒扣在继电器包装上，然后按照图7所示将来料包装上的继电器转换到统一的转换托盘上。

图6 继电器包装转换托盘

图7 继电器包装转换过程

3.2 视觉引导上料

继电器转换到标准包装后，就可以进行继电器的分拣上料过程。

视觉引导上料主要结构有分拣机器人、2套视觉相机、继电器输送带、继电器料道，继电器标准托盘。结构分布图如图8。

图8 继电器视觉上料结构分布图

继电器视觉引导上料分成三个步骤：

①种类识别。多种规格继电器在循环输送线上匀速移动，1#视觉相机根据颜色不同，判断、输出继电器种类号。见图9。

图9 继电器种类识别示意图

②视觉定位。视觉相机进行视觉定位引导时，为了避免成像时的阴影干扰，不同颜色的继电器设置不同的曝光值，且曝光值差异较大。不同曝光值[3]的视觉引导程序段的切换时间约200ms，导致供料节拍不满足，该问题采用下述方法进行优化。

设置两套相机器，分别为1#相机和2#相机，见图10，将6种继电器颜色根据曝光值分成两组，1#相机对应曝光值接近的两种继电器，2#相机对应另外四种曝光值接近的继电器，由于每组继电器相机曝光值比较接近，采取折中设置一个曝光值，即取消不同曝光值程序的切换时间。

图10 继电器视觉识别示意图

③引导机器人。完成第②步后，一次输出6颗继电器的定位置给机器人，机器人根据位置序列逐一抓取目标继电器至对应规格继电器滑道中，见图11。

图11 视觉引导机器人抓取继电器

视觉引导上料，上料过程无冲击，保证继电器品质稳定。速度快，节省工序节拍成本。

3.3 并联机器人执行继电器压装

单一继电器完成安装，必须要有上料和安装2个阶段，为了满足继电器压装的节拍要求，将继电器的上联和安装设计成并联的2个过程。

2#机器人将继电器分拣放到继电器滑道中后，在气缸作用下滑道出口侧倾斜，继电器靠重力滑移到料道出口。1#机器人从料道的出口中抓取继电器，将继电器安装到插槽中。

滑道的作用将继电器的上料和安装进行物理隔离，上料和安装被分割成了2个相互之间不干涉的并行过程[4]，有利于提高安装节拍。这种方案下，可以适当降低继电器安装1#机器人的速度，减少并联机器人高速动作过程的振动[5]，利于保证继电器安装的精度。安装过程示意见图12。

图12 继电器压装过程示意图

3.4 继电器槽位的定位

槽位定位方式主要考虑的是定位精度、便利性和经济性。该方案中，通过定位夹具将安装槽位定位夹紧。

图13 继电器槽位定位机构示意图

该定位夹具设计的优点有两个：1）定位夹具和夹具承载板采用膨胀结构，轻微松动和拧紧螺栓就可以实现夹具的快速拆装，由于螺纹的自锁效应，夹具定位牢固可靠；2）弹簧作用下，承载底板贴近机架上的限位板，限位板呈喇叭状，在员工作业位置时，定位夹具被弹簧推到喇叭口两侧，为员工投入线束零件腾出空间，夹具机构进入安装位置时，左右两侧的限位槽距离收窄，弹簧弹力增大，将承载底板紧贴限位板，现场测试定位夹具重复精度在±0.1mm。

图14 定位夹具和承载板连接示意

3.5 继电器安装状态的监控

主要监控继电器按压时的压力和按压进入插槽的位移量。

在继电器压入头位置集成ATI压力传感器[6]，选型时需要重点考虑通讯方式和数据通讯频率。压力传感器集成到机器人系统中，而不是PLC中，起到提升安装过程中压力反馈和机器人安装协同速度的作用。

采集机器人在Z轴方向位置数据。实现方法是采集机器人安装原点位置数据 Z1和安装完成位置数据 Z2，δ=Z2-Z1即为继电器压入位移，实现继电器安装压力位移监控。

图15 继电器安装状态监控相关硬件结构

图16 继电器安装监控原理示意

根据实际工艺设定，继电器压力监控合理范围P1～P2，位移合理范围是S±1.0mm。

每颗继电器安装完成后，即时显示继电器安装的压力和位移数据到监控画面上，便于现场作业人员确认，该数据会自动转存至数据库。

图17 继电器安装监控状态监控画面

3.6 整体流程

继电器安装是从线束投入开始的。线束投入设置了防错功能。利用扫描器扫描线束上的零件号，从工厂IT系统自动获取的车身号，利用正则表达式[7]进行防错匹配，匹配成功输出机器人启动的条件。

设备的整体的整体结构和安装流程如下：

图18 继电器自动安装设备总体结构

图19 继电器安装流程

4 结论

项目实施前，通过试制的X-Y-Z伺服机构进行安装模拟，论证继电器的抓取和按压的可行性。

基于对机器人和视觉技术的使用和积累，从供料、安装和数据追溯这三个大的方面布局，每个方面严格从品质和规格满足性、作业便利性、节拍满足性、安全性、投入经济性五大维度进行了考虑。首次实现了汽车装配领域线束继电器高节拍、高精度自动安装。