智能機械手臂在汽車開關檢測中的應用

陳金鶴

瑞安市質量技術監督檢測院，浙江 瑞安 325204

1 概述

2001年中國加入了WTO，中國的汽車工業發展顯著加速，汽車產量在2003和2004年相繼突破了300萬、400萬輛，并于2005年產量達到了507.4萬輛，其中轎車234.1萬輛。目前汽車工業已經成為中國的支柱產業，2009年我國汽車工業取得了全球矚目的成績，首次超過美國，成為全球產銷量第一的國家。2010年中國共生產了1826.47萬輛汽車，中國成為世界第一大汽車生產國。汽車工業的飛速發展為汽車零部件的發展帶來了空前的機遇，而浙江作為重要的汽車零部件輸出大省其產業也取得了顯著的成績。

作為汽車重要零部件的汽車開關包括：儀表燈開關、點火開關、翹板開關、組合開關、電源開關、車燈開關、轉向鎖開關等。目前已經有一些開關測試設備，但是它們只針對其中一種或有限的幾種開關進行檢測。因此對于汽車各種開關耐久性試驗方法的研究具有非常重要的意義。

為了克服現有技術中存在的上述問題，本研究項目在于提供一種檢測汽車各種開關耐久性的機器人裝置，是由人機界面進行工業機器人初始化以及程序的編寫和輸出，下載到機器人控制器，通過機器人控制組合開關動作，工業機器人的操作代替人工勞作，經過電參數儀表采集組合開關各點的電阻參數，通過RS-485通信實時的在檢測柜上顯示，從而實現汽車組合開關耐久性試驗的自動化操作和控制。

2 項目研究方案

2.1 確立方案研究的依據

本科研項目的研究內容就是研制試驗裝置控制軟件、特制的SCARA機器人、各種手爪結構、操作臺以及檢測柜等汽車開關相關的性能實驗設備。

依據汽車開關類行業標準QC/T 20-1992《汽車用氣壓式制動燈開關技術條件》、QC/T 198-1995《汽車用開關通用技術條件》、QC/T 218-1996《汽車用轉向管柱上組合開關技術條件》、QC/T 427-1999《汽車用電源總開關技術條件》、QC/T 504-1999《汽車用點火開關技術條件》、QC/T 505-1992《汽車用車燈開關技術條件》、QC/T 506-1999《汽車用儀表燈開關技術條件》、QC/T 628-1999《汽車用帶點火開關的轉向鎖》、QC/T 632-2000《汽車用翹板式開關技術條件》、JIS D 0208-1993《汽車開關試驗方法一般通則》、JIS D 5808-1994《汽車機械式停止燈開關》、JIS D 5810-1994《汽車倒車燈開關》、JIS D 5811-1994《汽車危險報警燈開關的性能檢查》、JIS D 5813-1994《汽車車門開關》。

2.2 研究內容的確定

1）該智能機械手臂擁有三組獨立的司服電機控制系統，能夠完成往復動作測試、上下點動測試、開關旋轉動作測試等；

2）全自動無人值守，故障報警，自動記錄測試數據并進行分析等功能；

3）以被試驗產品為本的柔性裝夾，可通過更換夾具獲得良好的通用性，以適用于絕大多數汽車開關疲勞性試驗的需要。（做到一臺檢測設備滿足十種以上開關檢測的需要）；

4）該系統可以保存20組標準動作模式，動作自由編輯可達120組，完全滿足不同客戶的需求；

5）良好擴展性：智能手臂預留信號輸出點，可以選配各種夾具。

3 確立研究方案

對于單個開關的耐久性檢測可以在末端執行器上安裝相應的手爪結構，在機界面上設置單一的動作類型，如上下、旋轉、擺動等，就能達到標準規定的實驗要求，該實驗很容易實現。

但是對于由轉向燈、儀表轉向指示燈、危險報警燈開關、燈光、水器開關總成的組合開關耐久性能檢測要求更高，因為它不但需要實現各個動作類型的組合，還要有一定的合理性、可靠性、準確性。

本項目的關鍵技術是試驗裝置必須完全符合標準規定的要求。設備應能根據每個開關的具體情況，設定相應的動作類型和參數進行檢測，對于檢測結果系統可以自動分析判斷并保存，顯示總的檢測次數、已經執行的檢測次數，當實驗次數達到目標要求的實驗次數時，設備自動停止，對應的指示燈亮，保護設備并提醒操作人員。

根據實際需求和標準要求，繪制出實驗裝置整體布局圖，繪制出各種手爪執行器結構圖。見附圖所示：

圖1 裝置總體結構圖

1）圖1為實驗裝置的整體布局圖。圖中：1.控制柜，2.PC機主機，3.鼠標和鍵盤，4.PC機顯示器， 5.末端執行器， 6.壓力傳感器，7.接近傳感器，8.自轉電機（HC-KFE43），9.絲杠電機，10.小臂電機，11.大臂電機，12.螺栓，13.電阻測量儀，14.檢測柜，15.總控系統，16.LED顯示板，17.工作信號燈，18.報警信號燈，19.停止信號燈，20.開始按鈕，21.暫停按鈕，22.恢復按鈕，23.急停按鈕，24.機器人， 25.操作臺，26.大臂伺服放大器（MR-E-40A），27.小臂伺服放大器，28.絲杠伺服放大器，29.自轉伺服放大器，30.PLC控制器（FX1s-30MT）2個，31.通信模塊（FX485-BD）2個。

2）圖2為工業機器人操作界面。圖中，主要包括狀態顯示、手動示教、參數查詢、動作編程、程序寫入等。手動示教實現工業機器人位置的初始化和位置的鎖定。動作編程的內容有：動作類型選擇（電機及其旋轉方向）、動作行程、動作速度、動作延時時間、動作邏輯、有無循環及循環次數等，點擊“程序寫入”按鈕即可將用戶總任務下傳至控制系統。下位機還可以將機器人的各種狀態通過人機界面提示給用戶，如上電后控制系統對工業機器人各個關節的狀態及系統的狀態等。下位機通過人機界面接受用戶對工業機器人各個運動關節的位置矯正，以及用戶對運動過程中各個模塊的參數查詢。另外在設備出現故障時系統會自動報警，保護設備安全。

圖2 人機界面

3）圖3三為末端執行器對應的上下運動的手爪結構。（用于開關類型）

圖3 上下手爪結構

4）圖四為末端執行器對應的擺動運動的手爪結構。

圖4 擺動手爪結構

5）圖五為末端執行器對應的旋轉運動的手爪結構。

圖5 旋轉手爪結構

3、4、5三種末端執行器的手抓結構，使得該設備適用于絕大多數汽車開關耐久性試驗的需要，只需要簡單更換手抓結構，設備具有很好的通用性和可移植性。

4 項目的驗證

最后經過有關部門驗證該項目達到如下性能要求：

1）研制的樣機使用功能滿足“按、拉、推、撥、拿、旋轉”等功能的各類汽車開關耐久性能試驗的要求, 符合QC/T198《汽車用開關通用技術條件》等20多項標準規定的性能試驗原理、方法及技術要求；

2）研制的樣機經計量測試檢定所測試，其技術指標達到設計的要求；

3）使用該設備用于汽車開關產品檢測，并通過了QC/T198《汽車用開關通用技術條件》等9項標準的省級計量認證和國家實驗室認可；

4）研制的樣機結構緊湊、裝夾柔性，采用的伺服系統可靠，具有便捷的可編控制程序、操作界面可顯示各種試驗參數、故障報警停機保護等功能。 屬國內領先水平。

[1]金永，陳金鶴.基于構件的工業機器人測控軟件系統的研究[J].機械工程師，2010，3：74-76.