基于機器人視覺柔性組合的轉(zhuǎn)向架線束連接器自動插接通電測試方法

林藍 龐世俊 張恒志 張彥偉 郭瑞磊

摘 要：連接器測試一般涉及插拔力測試、耐久性測試、絕緣電阻測試、耐電壓測試、振動測試、機械沖擊測試、冷熱沖擊測試、混合氣體腐蝕測試等。目前軌道交通連接器在做好線纜后仍使用傳統(tǒng)的人工測試測量PIN點之間的絕緣電阻和耐電壓數(shù)據(jù)，人工頻繁的找點進行測試費時費力，長時間操作很容易出現(xiàn)插線錯誤造成測試數(shù)據(jù)錯誤，嚴重時還可能造成測試設(shè)備損壞等。

主要針對軌道交通使用的電連接器進行絕緣電阻測試和耐電壓測試，以機器人為核心配合機器視覺識別連接器型號進行自動柔性插接，同時完成工藝要求的各測試項目。

關(guān)鍵詞：機器人;未來;機動化;自動連接

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.109

1 引言

連接器是電子工程技術(shù)人員經(jīng)常接觸的一種部件。它的作用非常單純：在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間，架起溝通的橋梁，從而使電流流通，使電路實現(xiàn)預(yù)定的功能。連接器形式和結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，隨著應(yīng)用對象、頻率、功率、應(yīng)用環(huán)境等不同，有各種不同形式的連接器。軌道交通轉(zhuǎn)向架上選用的連接器外形有矩形的也有圓形的，連接類型有孔型的也有針形的且接觸點不確定。

電連接器除了要滿足一般的性能要求外，特別重要的要求是電連接器必須達到接觸良好，工作可靠，維護方便，其工作可靠與否直接影響電路的正常工作，涉及整個控制系統(tǒng)的運行安全。

目前轉(zhuǎn)向架上各連接器的測試大部分采用人工手動測試，存在效率低、測試結(jié)果不穩(wěn)定等問題，并且存在電氣測試安全隱患。所以需要一套柔性自動化對接并能自動測試的系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向架的電氣性能測試。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足轉(zhuǎn)向架全部線束的一次性自動測試，整個系統(tǒng)設(shè)置了兩套機器人柔性裝卡對接系統(tǒng)，分布在轉(zhuǎn)向架的兩端，分別裝卡連接各端的線束連接器。每套器人柔性裝卡對接系統(tǒng)由自動裝卡系統(tǒng)和自動柔性對接系統(tǒng)組成，如圖1所示。

不同型號的轉(zhuǎn)向架安裝有不同數(shù)量或種類的線束，為了覆蓋所有線束連接器的檢測，測試系統(tǒng)也要配置與轉(zhuǎn)向架連接器對應(yīng)的裝卡工裝和對接裝置。

裝卡系統(tǒng)為每個裝卡工裝提供了固定且唯一的存放位置，并通過傳感器感知每個裝卡工裝是否在位。

對接裝置由連接器通過線纜連接到多路測試設(shè)備，連接器帶電纜可以在允許范圍內(nèi)移動。機器人柔性裝卡對接系統(tǒng)通過運動規(guī)劃將轉(zhuǎn)向架線束的連接器與測試線束的連接器實現(xiàn)機械物理插接，從而實現(xiàn)測試信號的電氣連接，形成測試回路，進行對轉(zhuǎn)向架線束的測試。

2.1 裝卡系統(tǒng)

裝卡系統(tǒng)由裝卡抓取機器人和柔性裝卡庫、裝卡工裝、裝卡對接支架組成。柔性裝卡庫可以存放多種轉(zhuǎn)向架的線束連接器裝卡工裝，系統(tǒng)通過RFID識別技術(shù)，識別被測轉(zhuǎn)向架的型號，通過測試信息管理系統(tǒng)調(diào)取測試工藝單，并下達指令給裝卡抓取機器人，機器人從柔性裝卡庫中選擇抓取對應(yīng)的裝卡工裝，并放置到裝卡對接支架上，將轉(zhuǎn)向架的連接器裝卡到裝卡工裝對于位置，完成裝卡工作，如圖2所示。

如上圖所示，機器人裝卡系統(tǒng)組成及關(guān)系所示，裝卡機器人由機器人本體和機器人控制單元組成;機器人本體末端法蘭通過連接件將氣動離合器公頭部件連接在一起;裝卡工裝是一根長方形型材為主體，在中心位置連接有氣動離合器母頭實現(xiàn)與裝卡機器人末端氣動離合器公頭的對接，從而實現(xiàn)抓取裝卡工裝;兩邊分布有轉(zhuǎn)向架線束連接器固定接口，用來固定線束連接器實現(xiàn)固定和定位，接口中間部分是與對應(yīng)連接器外形相匹配的半開放結(jié)構(gòu)，正好可以講對應(yīng)連接器放置到其中，側(cè)面有頂緊機構(gòu)，可以用來固定連接器，防止松動;其下面設(shè)計有定位銷，方便平穩(wěn)的放置于柔性工裝庫或者裝卡對接支架上。整個系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架型號，一般設(shè)置多個裝卡工裝。

柔性裝卡庫由裝卡庫立柱和裝卡庫工裝放置臺組成，放置臺連接與立柱上端，立柱通過連接橫梁與裝卡機器人本體安裝底座相連，起到固定和定位的目的。裝卡庫工裝放置臺上設(shè)有多個工裝放置位置，每個位置有位置不同的定位孔，確保相對于位置的類型的裝卡工裝可以放置，防止錯誤放置，如圖3所示。

裝卡對接支架由裝卡對接支架立柱和裝卡對接支架定位臺、夾緊氣缸組成;支架定位臺上可以放置一個裝卡工裝，同定位孔與定位銷相連，并用夾緊氣缸夾緊，防止對接插拔將裝卡工裝帶動，夾緊氣缸固定在支架定位臺的對角兩端，支架定位臺與支架立柱連接，支架立柱與裝卡連接系統(tǒng)定位安裝底板連接;如圖4所示。

2.2 自動柔性對接系統(tǒng)

自動柔性對接系統(tǒng)由對接機器人、視覺辨識定位單元、對接裝置構(gòu)成，其對接裝置上可加裝涵蓋當前轉(zhuǎn)向架型號的轉(zhuǎn)向架連接器全部種類測試對接需要，可以將測試系統(tǒng)與測試對象通過對接機器人實現(xiàn)自動連接，構(gòu)成測試環(huán)境，實現(xiàn)柔性自動測試;當對接系統(tǒng)收到測試信息系統(tǒng)的測試命令，對接機器人通過其末端安裝的視覺系統(tǒng)設(shè)別裝卡工裝上的連接器種類和位置，然后選擇對位對接裝置上相應(yīng)的對接連接部件，精確的與轉(zhuǎn)向架的連接器對插，完成測試的電氣連接。

如圖5所示，自動柔性對接系統(tǒng)在機器人本體的末端法蘭上通過視覺安裝板固定工業(yè)相機和光源，通過組件連接件連接多位對接裝置，多位對接裝置底端以十字形分布的樣式，可用同時安裝4個測試連接器，可以通過旋轉(zhuǎn)選擇采用的測試連接器，每次一個，對應(yīng)將要測試的轉(zhuǎn)向架線束連接器，測試連機器通過電纜連接到多路自動電測設(shè)備，電測設(shè)備又與測試信息管理系統(tǒng)相連。

工業(yè)相機通過相機電纜與視覺辨別定位單元處理系統(tǒng)連接，將視覺圖像數(shù)據(jù)傳入處理系統(tǒng)，經(jīng)過如下計算和處理：

機器視覺系統(tǒng)通過識別區(qū)域二次選定、識別針孔特征、特征數(shù)據(jù)灰度處理及膨脹處理等圖像處理算法可以識別固定在裝卡工裝上的轉(zhuǎn)向架線束連接器的種類、以及坐標位置，然后數(shù)據(jù)傳給對接機器人控制單元，整個過程將視覺信號進行數(shù)字化處理，通過計算機進經(jīng)行高精度對比識別，從而實現(xiàn)引導對接機器人準確的移動到坐標位置，準確地將相應(yīng)的測試連接器，插入轉(zhuǎn)向架線束連接器，實現(xiàn)對接。

3 功能分析

3.1 操作方便

系統(tǒng)測試操作具有柔性和自動化，只需打開系統(tǒng)操作界面，一鍵啟動，系統(tǒng)就可以自動進行測試全過程，無需人工介入。

3.2 測試過程安全可靠

在功能操作上，裝卡工裝按照實際轉(zhuǎn)向架上的連接器型號和數(shù)量配置了相同數(shù)量和規(guī)格的連接器裝卡位置，可以讓用戶方便快捷的將被測線束放置并固定在裝卡工裝上;每個裝卡工裝根據(jù)轉(zhuǎn)向架型號不同配置不同的固定裝卡接口，與轉(zhuǎn)向架型號的連接器一一對應(yīng)，防止誤操作。

裝卡工裝庫采用帶有定位裝置的支架平臺方式，支架平臺上設(shè)有多個裝卡工裝固定位置，每個位置上的固定銷孔和轉(zhuǎn)接工裝上的固定銷對應(yīng)，使不同裝卡工裝固定位置唯一;同時每個固定位置裝有位置傳感器，可以實時判別裝卡工裝是否在位，為機器人抓取提供狀態(tài)信息。

多位對接裝置上預(yù)留了有多個插接針板安裝位置，對接機器人可以根據(jù)視覺傳感器的識別結(jié)果選取對應(yīng)的插接針板，移動到對應(yīng)的連接器位置，進行插接動作。在插接過程中，如遇到線束連接器自身質(zhì)量問題導致不能正常插接，對接裝置上預(yù)留了10～20mm的彈性緩沖區(qū)，當裝置不能正常插接時，采用接觸動力學模型仿真技術(shù)設(shè)計了彈性緩沖裝置，彈性緩沖區(qū)會被壓縮，通過裝置上的位置傳感器感知壓縮量，達到設(shè)定值后將向機器人控制系統(tǒng)報故障信號，停止插接操作。

系統(tǒng)經(jīng)過了連續(xù)工作10個工作日的疲勞測試，測試過程中分別對接測試6種不同類型的連接器，識別和插接均正常，沒有出現(xiàn)錯誤識別、無法識別等情況，機器人自動插接均可按既定軌跡實現(xiàn)插接，沒有出現(xiàn)插接偏差或錯插等情況;通過上述試驗驗證了系統(tǒng)是安全可靠的。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是緊密結(jié)合轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的實際現(xiàn)狀和具體需求，結(jié)合智能制造及數(shù)字化背景，旨在實現(xiàn)具有技術(shù)先進性，數(shù)字化、柔性化的智能制造樣板工程，為進一步全面實施中車四方智能制造數(shù)字化生產(chǎn)模式提供詳實、科學、全面、經(jīng)過充分驗證的可行性實例。

在系統(tǒng)實際操作中，測試信息管理系統(tǒng)可自動導入符合規(guī)范的工藝文件;在設(shè)計和試驗中，通過每個轉(zhuǎn)接工裝配置不同的線束固定卡具和位置固定銷，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)接工裝位置的管理和轉(zhuǎn)接工裝對應(yīng)轉(zhuǎn)向架的靈活配置。

通過系統(tǒng)試驗驗證，在機器人插接過程中，通過柔性對接裝置，可以有效的實現(xiàn)線束連接器插接，并避免插接失敗對連接器的損傷。

實現(xiàn)了多種轉(zhuǎn)向架的兼顧測試和線束連接器的柔性插接，并通過工業(yè)機器人與視覺系統(tǒng)共同實現(xiàn)了線束連接器與測試系統(tǒng)接口柔性對接可行性驗證。

參考文獻

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