面向汽車零部件智能化生產技術研究及應用

孟慶站，于洪金，劉眾望，張號，張元

摘要：以解決制約剎車片生產線高效利用領域的瓶頸問題和實現清潔加工為主要任務，首次將自動包裝系統引入到剎車片的生產線中，保證了產品外觀的一致性、美觀性，提高了生產效率，降低了用工成本。通過數據實時采集系統，實現了企業對整體生產現狀的動態監測及分析，在剎車片生產行業首次通過整合機器人多工位協同作業技術，實現了摩擦料的自動化精密稱量及精準投放功能，大幅度提高了整體產線的工作效率，并且有效規避了工人在熱壓工序上由高溫帶來的作業風險。通過開發復雜作業環境魯棒性更強的識別算法和動態識別能力更強的模糊匹配智能算法，解決當前行業應用中識別準確度底、輪廓精度差等問題。同時，依靠與服務器系統的網絡互聯，采用了集中加分布式的控制方法，有效避免了集中控制任務過重、規劃費時的缺點，同時分布式控制的工作空間檢測可保證系統的安全冗余，提升整個系統的安全等級，實現汽車零部件未知復雜工況下的柔性應用。

關鍵詞：剎車片定位技術；汽車零部件掃描；剎車片稱重系統；機器人；圖像處理；軌跡識別

國外發達國家剎車片生產制造設備，由于其在技術工藝、生產管理等方面起步早、技術領先，已基本實現整個車間的無人化生產。如日本愛德克斯、阿基波羅，意大利布雷博，美國輝門公司等國際剎車片公司，在整個剎車片的生產制造流程中已達到90%的無人化。高端制造設備研發的大力投入，以及物聯網技術在生產中的應用，有力保證了其產品的可靠性和市場競爭力。

國內汽車剎車片生產設備基本處于人工或半自動作業模式，控制模式上大多采用低端PLC操控簡單流程作業。國內工業起步較晚，導致剎車片生產制造行業一直處于摸索的發展狀態，致使在生產制造中與國際先進水平存在較大差距，工藝、設備、管理等方面長期沿襲老的技術模式，技術進步緩慢。20世紀80年代以來，有部分企業開始了有關自動投料機構、多功能打磨機構的研發工作，研究重點為單站式加工設備，解決了部分工序對人工體力要求大的問題，促進了我國剎車片制造技術的發展。目前，山東、湖北等地區的剎車片制造企業在高端設備上多采用國外進口，價格昂貴、不符合國內操作習慣、后續服務無法保證等問題一直存在。

目前，國內汽車制造業快速發展，巨大的市場需求催生了一大批剎車片制造企業。長期以來，受到技術、設備及管理等因素的影響，國內剎車片制造業存在設備簡單、工藝落后；車間布局不合理，管理系統混亂；自動化程度低，大量人工干預，產品質量無法保證；能耗大、污染嚴重等問題。

近些年，國內在機器人智能化、自動化研究方面有了長足進步。相關機器人公司及自動化設備公司都推出了機器人產品：機器人上下料、機器人碼垛、機器人搬運及機器人末端執行器等，但在整個加工流水線智能化整合方面技術儲備不足，控制系統大型化、網絡化、智能化水平不高。

我國裝備制造業面臨轉型升級，從傳統裝備制造向智能制造裝備轉變需要更加智能化、信息化、科技含量更高的智能化設備，而機器人及相關配套設備正是智能化，信息化及高科技含量的典型代表。

本文所指的集成示范產線引入了軟件編程、視覺識別、末端執行器開發、在線精密稱重、自動化包裝及DCS與PLC控制等技術，并將這些技術原理運用到實際調試運行中，實現剎車片行業產線試生產。

方法原理

1.輪廓識別技術

目前對于零件尺寸檢測方法主要有人工檢測法和圖像處理檢測法。人工檢測方法主要依靠游標卡尺、千分尺等量具對待檢剎車片按照圖樣進行每一項尺寸的測量。近年來，隨著計算機科學和數字圖像處理技術的快速發展，利用圖像處理方法檢測零件尺寸的應用也越來越廣泛。

該項目整個算法流程分為3個部分。首先，根據剎車片圖樣和公差設計原理確定各個尺寸的最大、最小極限尺寸，并利用CAD繪圖軟件逆向設計剎車片尺寸允許公差控制帶圖（以下簡稱“標準模板圖”），并保存為bmp黑白圖像格式，作為后續待檢剎車片圖像比對的標準模板圖。

其次，利用機器視覺系統采集待檢剎車片圖像并進行圖像預處理，包括濾波、閾值分割、消除小聯通區域得到二值圖像，再將二值圖像和標準模板圖進行最小外接矩形處理。根據標準模版圖和二值圖像的最小外接矩形的長寬比來確定二值圖像的放縮倍數，使二值圖像得到與標準模板圖相同的像素尺寸標準的實際圖。

最后，利用Hough 圓檢測算法得到實際圖圓心坐標。根據圖樣要求，比較實際圖兩個圓心坐標差異，確定實際圖旋轉角度并進行旋轉，使得實際圖中兩圓圓心橫坐標一致。旋轉后提取標準模板圖和再次提取實際圖的兩圓心坐標并確定兩圓心中點坐標，并以兩圖圓心連線中點為截取中心，截取出大小相同的兩幅圖像，截取以后將標準模板圖進行取反運算并統計白色像素點個數；將實際圖進行邊緣檢測，得到實際輪廓圖，然后將標準模版取反圖與實際輪廓圖進行加法運算，并統計白色像素點個數與標準模版取反圖白色像素點個數相比較，最終判斷剎車片尺寸是否合格。

2.末端執行器設計研發

近年來，隨著工業機器人在自動化領域中的廣泛應用，剎車片的生產過程中開始引進工業機器人。但熱壓工序還未完成從人工到自動化的轉變，目前國內的主要剎車片生產商在這一工序中依舊采用人工操作。然而現場作業環境非常惡劣，因為摩擦材料為粉塵狀，存在一定的粉塵污染；同時沖壓機是高溫壓制設備，人工操作存在安全隱患。而且人工生產時，產品質量受到人工操作的影響非常大，可能造成同一批次產品質量的參差不齊。

針對上述問題，需要設計一種剎車片熱壓上下料的機器人通用末端執行器。采用多功能集成為主體設計思路，以實現熱壓上下料自動化生產的通用末端執行器為設計目標，基于對熱壓原料鋼背、摩擦料和浮料特性的詳細了解，對鋼背、摩擦料和浮料的上下料機構加以合理設計，并且適當考慮一定的產品可擴展性，達到自動完成熱壓工序的效果。

剎車片熱壓上下料的機器人通用末端執行器及時序控制方法，包括支撐框架及其周向均設摩擦料上下料機構、浮料上下料機構與取放機構，實現摩擦料上下料、浮料上下料與鋼背或壓制后的剎車片的取放。其中，摩擦料上下料機構與浮料上下料機構提供多個上下料位置，逐一上料，一次性下料；取放機構上提供與上下料機構上下料位置等數量的磁性吸盤，實現多個鋼背在沖壓機內的同時沖壓。

根據設定時序，依次進行摩擦料上料→浮料上料→鋼背吸附→摩擦料下料→浮料下料→放置鋼背→沖壓→剎車片吸附→放置剎車片。該末端執行器的優點為：通過合理設計，并適當考慮一定的產品可擴展性，達到自動完成熱壓工序的效果，具有成功率高、成本低的優點。

3.自動稱重技術

隨著電子技術和微處理機的快速發展，電子稱重技術日益完善。目前的研究方向是既能獲取稱重信息，又能實現對稱重信息數據的采集與管理，而且其穩定性好，稱量速度快、精度高，可連續自動稱重，實現稱重數據的自動采集與存儲。

該項目利用稱重模塊、伺服控制技術和工業總線技術組成一套配料系統，實時識別剎車片不同種類，自動選擇程序，完成整個稱重工序。

根據現場工業網絡控制的實際情況，利用工業控制設備西門子PLC300與帶PROFIBUS-DP 接口的稱重儀表，通過DP 總線的連接方式組成三種稱重數據網絡，不僅抗干擾能力強，而且結構簡單，布線方便，實現了稱重數據的雙向傳輸。將稱重單元無縫鏈接到生產流程中去，與計量網絡進行有效的對接和網絡隔離，實現了稱重系統和工業流程控制的相對獨立，提升了維修便利和系統的整體性能。

4.剎車片自動化包裝技術

剎車片自動包裝技術是將剎車片自動送入待包裝的紙盒，然后通過對應的執行裝置自動包裝紙盒，其裝盒過程主要包括取盒、放盒、推料和封盒。

此外，根據不同品種，選擇是否放入說明書和合格證等憑證，自動化包裝設備則要選擇增加分頁機構和折紙機構。

5.機器人協同作業的運動控制技術及防碰撞技術

工業機器人技術隨著時間的發展得到了很大的進步，如今，工業機器人已普遍應用于各個行業。但隨著任務復雜程度增大，單臺機器人已不再是最佳解決方案，與單機器人構成的系統相比，多機器人系統通過機器人之間的合作與協調使系統工作能力提升，柔性增強。但隨之也帶來很多問題，主要有：剎車片的種類不同，導致了機器人在工作中的位姿越來越復雜，在生產線上，其他自動化設備和機器人越來越多，也對機器人的運動控制提出了更高的要求，所以在一定空間內的運動控制及防碰撞是必須要解決的。

汽車剎車片智能化生產研發及模型

1.輪廓識別開發

由于待檢剎車片表面存在一些輕微劃痕或者表面部分氧化，所以在CCD 拍攝時得到圖像表面并非均勻光滑，因此設計性能優越的圖像處理方法非常重要。

針對這些問題，首先采用中值濾波減小圖像中的異常值（見圖1），然后采用最大類間方差法（OTSU）對圖像進行二值化處理，消除圖片中的小連通區域，得到只有目標物體和背景的二值圖像。中值濾波是一種非線性信號處理方法，其本質是一種順序統計濾波器。中值濾波能使得其鄰域擁有不同灰度值的點更接近于它的鄰域點，因此能消除一些孤立像素點。

由圖1可知，經中值濾波后的圖像異常值明顯減少，圖像更加平滑。OTSU 閾值分割是以灰度直方圖的分布為根據的，當分割的目標和背景的類間的方差達到最大將該值選取為閾值。

設原始圖像f（x，y）利用OTSU 閾值分割在f（x，y）中找到一個合適的灰度值作為閾值t，則分割后的圖像g（x，y） 可由式（1）表示

（1）

由上述算法得到剎車片二值圖像，如圖2所示。

經過OTSU 閾值分割得到的二值圖像g（x，y） 仍然存在很多白色干擾點，這些干擾點會影響后續的處理，應當消除這些白色干擾點，采用連通區域法來消除這些干擾點。

連通區域法消除干擾點的原理是干擾點相對于其他大連通區域所占的像素點較少，所以設置一個像素點面積閾值t1，若連通區域Ci中像素點個數Ni小于閾值t1則將該區域濾除，濾除部分用公式（2）表示

（2）

優化后二值圖像如圖3所示.

實現剎車片圖像二值化以后，進行圖像取反，利用最小外接矩形優化算法確定取反圖像縮放倍數，使二值圖像與標準模板圖統一像素標準得到實際圖。然后利用Hough 圓檢測實際圖兩圓圓心坐標，并比較實際圖兩圓心橫縱坐標差異，確定實際圖的旋轉角度達到與標準模板圖相同的水平位置，提取旋轉后實際圖和標準模板圖兩圓心坐標并確定兩圓心連線的中點坐標。利用中點坐標從兩幅圖中截取大小相同的矩形區域，并統計標準模板圖取反后白色像素點數以及將實際圖進行邊緣檢測得到實際輪廓圖。

最后將截取的兩幅大小相同的圖像進行加法運算并統計白色像素點數與標準模板取反圖白色像素點數相比較，若兩者白色像素點相等，即實際輪廓圖中的白色像素點都被標準模板圖白色像素點覆蓋，剎車片尺寸合格，否則，剎車片尺寸不合格。

2.末端執行器的設計

末端執行器三維模型如圖4所示。

上述剎車片熱壓上下料的機器人通用末端執行器的動作時序控制方法為：

1）通過機器人控制末端執行器的摩擦料上下料機構移動至稱料機內，并進一步控制摩擦料上下料機構移動，使全部接料杯202中位于一角處的接料杯202移動至摩擦料下料位置。

2）當摩擦料下料位置處安裝的光電開關檢測到下方存在接料杯202后，將信號傳輸至稱料機，此時稱料機開始下漏固定數量的摩擦料，持續3s后，稱料機停止下料，完成一次摩擦料下料。

3）通過機器人控制末端執行器的偏移，使相鄰的接料杯移動至摩擦料下料位置。

4）重復執行步驟2）、3）過程，直至摩擦料上下料機構中12個接料杯202放上所需數量的摩擦料，完成摩擦料上料過程。

5）通過機器人控制末端執行器的浮料上料機構移動至稱料機內的浮料下料位置，并進一步控制浮料上下料機構，使全部接料杯202中位于一角處的接料杯202移動至浮料下料位置。

6）當浮料下料位置處安裝的光電開關檢測到下方存在接料杯202后，將信號傳輸至稱料機，此時稱料機開始下漏固定數量的浮料，持續3s后，稱料機停止下料，完成一次浮料下料。

7）通過機器人控制末端執行器的偏移，使相鄰的接料杯202移動至浮料下料位置；

8）重復執行步驟6）、7）過程，直至浮料上下料機構中12個接料杯202放上所需數量的浮料，完成浮料上料過程。

9）通過機器人控制末端執行器的取放機構3移動至上料傳送裝置中傳送帶上方，并進一步控制取放機構3移動，使全部電磁吸盤302a中位于一角處的電磁吸盤302a移動至吸附位置。當上料傳送裝置上安裝的光電開關檢測到末端執行器后，傳送帶開始運行，通過在電磁吸盤302a處安裝的接近開關303檢測電磁吸盤302a下方是否存在鋼背。若檢測到下方存在鋼背，則當前位于吸附位置上方的電磁吸盤通電，吸附鋼背；若檢測到下方無鋼背，則繼續在吸附位置處等待。

10）通過機器人控制末端執行器的偏移，使相鄰的電磁吸盤302a移動至浮料下料位置。

11）重復執行步驟9）、10）過程，直至兩套取放機構3中12個電磁吸盤302a均吸附有鋼背，完成鋼背吸取過程。

12）通過機器人控制末端執行器的摩擦料上下料機構整體置于沖壓機腔內，三條抽拉板204在執行氣缸205的帶動下，同步移動，導通下料通道，一次性完成摩擦料上下料機構中12個接料杯202的摩擦料下料。

13）通過機器人控制末端執行器旋轉120°，將浮料上下料機構置于沖壓機腔內，三條抽拉板204在執行氣缸205的帶動下，同步移動，導通下料通道，一次性完成浮料上下料機構中12個接料杯202的浮料下料。

14）通過機器人控制末端執行器旋轉120°，將取放機構3置于沖壓機腔內，將由12各電磁吸盤302a吸附的鋼背分別置于各浮料上，隨后控制電磁吸盤斷電，使鋼背脫離電磁吸盤302a，并控制取放機構3移出沖壓機腔，沖壓機開始進行沖壓。

15）待沖壓機沖壓完畢后，通過機器人控制末端執行器的取放機構3移動到沖壓機腔內，使各個電磁吸盤302a對應置于各個壓制好的剎車片上方，全部電磁吸盤302a通電，一次性將全部壓制好的剎車片同時吸附。

16）通過機器人控制末端執行器的取放機構3移出沖壓機腔內，進一步移動至回輸傳送裝置的傳送帶上方制定位置，隨后的全部電磁吸盤302a斷電，將全部壓制好的剎車片置于傳送帶上，至此末端執行器的單次作業完畢。返回步驟1），再次按照上述步驟進行往復作業。

3.稱重系統研發

西門子PLC300通過DP總線將稱重儀表連接，另外配置了兩個網口：一個通過以太網協議與計量網絡進行連接，另一個通過西門子內部S7協議和一級的西門子PLC400進行連接。

PLC程序的設計：在稱重PLC內部建立公共數據塊，一方面，通過西門子自帶的驅動S7 連接，直接與一級PLC 進行數據和寫質量數據的操作；另一方面，將稱重信號的數據通過以太網實時發送給上位機軟件進行判斷和采集，使得質量數據與MES上的數據一一對應上位機軟件的設計。軟件也是通過特定的以太網端口，接收到來自稱重PLC的組合控制數據，根據控制位的信息，對組合數據進行采集，形成一一對應的數據關系，并保存在數據庫里，且可以從這個以太網端口發送指令，通過稱重PLC對稱重儀表進行遠程操作。

稱重PLC與一級PLC建立的西門子內部S7驅動連接，只需要在一級PLC內部建立公共數據塊，稱重PLC通過西門子內部功能塊GET和PUT方法，就可以很方便地在一級PLC里進行數據的讀取和寫入操作，對一級PLC不會有任何影響。

稱重PLC通過以太網傳輸方式與上位機軟件通信的設置中，稱重PLC只負責發送數據，上位機程序只負責接收稱重數據。這種形式的PLC稱重系統，在硬件使用了兩個以太網口，為了節約成本，采用一個帶以太網口的CPU和單獨的一塊網卡組成。連接方式一邊以S7 驅動的方式通過以太網連接到一級PLC，另一邊以TCP/IP 以太網的方式連接計量網絡，將生產網絡和計量網絡分割在不同的網段上，保證了網絡的安全性和穩定性。

結果分析

1.輪廓識別有效性實驗

實際測量中，由于光照環境和圖像處理工具定位等因素，工件的擺放位置對測量結果具有一定程度的影響。同一工件，隨機擺放20次，進行靜態測量，計算出測量值標準偏差為0.03mm，測量結果見表1。

結果顯示，該技術可以高效穩定地檢測出剎車片的尺寸大小，而且可以應用到實際生產當中。

2.末端執行器的多品種適應性和穩定性驗證

某客戶現有114種剎車片的生產需求，其最小長度為61.7mm，最大長度為249.5mm，最小寬度為37.8mm，最大寬度為108.7mm。

為驗證可靠性，各尺寸數據均經過3維模擬分析，確保末端執行器的工作范圍和變換方式能夠滿足現場要求。

3.稱重系統實時精度的驗證

由于稱重工藝對精度的要求，特設計了一套基于PLC的多工位投料機構，以基礎料倉為倉位基礎，二級投放機構為高精度螺旋投料機構，保障在線稱重的高精度。為驗證精度，連續進行100次的300g摩擦材料的自動稱重，數據如圖5所示。

數據顯示，100次內磨料的誤差為±0.5g，滿足剎車片對摩擦材料質量的高精度要求。

結語

本文設計的汽車零部件智能化生產技術是在當前工業機器人單工作站發展基礎上，結合產線式發展趨勢要求，根據集中控制與分層控制理論，提出了一種具有示范效應的剎車片生產機器人集成運用的方法，并進行了深入研究，創新性的形成了集上下料、搬運、噴塑、打碼、包裝及倉儲為一體的機器人應用理論。

在理論研究基礎上，開展了多項原創性的實驗研究和開發性工作，建成了多機器人協同作業示范產線。并在此研究中，開發了視覺監測軟件與多品種精準投放料系統，研制了多機器人組控制系統， 提出了機器人一鍵式起動概念，對機器人輔助自動投放料系統進行多次驗證，投放效果要比人工提高70%。通過機器人來完成投放工作，更好地保證了產品的一致性，把人從粉塵與高溫環境中解放出來，減少編程時間，提高生產效率。在自動控制方面，產線采用利用DCS與PLC實現智能化控制；利用網絡通信技術及離線式端口通信技術實現機器人與外圍設備的信息交換及傳輸功能實現智能制造。

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