汽車接插件注塑生產在線質量檢測系統設計

姚建沖， 廖秋慧， 祝璐琨， 唐巧興

(上海工程技術大學 材料工程學院， 上海 201620)

汽車電子連接器，即汽車接插件，作為汽車零部件的重要組成部分，有著極大的市場需求。尤其是近階段新能源汽車的發展，對汽車接插件的產量及質量都提出了較高的要求。作為電氣連接件，汽車接插件的質量將直接影響行車安全問題，因此，對其的質量檢測顯得尤為重要。金屬嵌件成型是汽車接插件的主要生產方式，該生產方式在整個注塑生產過程的自動化效率較低，產品質量大多由人工抽樣檢測保證[1]，不符合汽車行業的整體發展趨勢及針對電氣連接件逐個質量檢測的要求[2]。課題組旨在設計一個自動化在線檢測系統，以滿足汽車接插件注塑生產的質量檢測要求，在保證檢測正確率的前提下大幅提高檢測效率。

企業在追求產量最大化的同時還必須對產品的質量進行控制，只有這樣才能獲得效益。因此，注塑制品的質量檢測一直是研究的一個熱點問題。對于注塑制品的質量檢測與控制的研究，Gruber等[3]提出了一種新的計算模型，適用于機器視覺系統在線質量檢測。Schmitta等[4]設計了一個針對紡織品缺陷的質量監控系統。文生平等[5]利用LabVIEW與MATLAB，搭建了手機外殼注塑件表面缺陷視覺檢測系統。石波和GAO[6-7]等提出根據注塑機控制對象的不同將質量控制劃分為3個層次：①底層控制——對注塑機參數的直接控制；②中層控制——狀態變量控制；③頂層控制——制品質量控制。王利霞[8]提出了可分為2個階段控制注塑成型制品質量：優化調節工藝參數以生產出質量可接受的制品；在生產中采用某種質量檢測和控制方法，保證生產出質量一致的合格制品，其研究已具備質量閉環控制的雛形。課題組根據前述的頂層控制目標，將注塑生產工藝參數與自動化質量檢測相結合，實現對汽車接插件注塑產品的在線質量檢測。

1 質量檢測系統總體方案設計

汽車接插件因其質量控制的嚴格要求，必須采用全部、逐一的方式[9]進行成品檢查，即為全檢。人工目視檢查或者抽檢已無法滿足品控要求，因而引入了自動化質量檢測系統。課題組以汽車接插件為研究對象，由于其采用自動化注塑生產，對模具和配套設備要求較高，很少出現一些其他注塑制品常出現的質量缺陷問題；盡管如此，實際生產中依然會出現飛邊、翹曲、欠注及表面缺陷等問題。尤其是飛邊與翹曲問題對于汽車接插件影響較大，因其直接影響其在汽車上與其他零部件的裝配以及后續的電氣連接穩定性的問題，因此作為本次檢測系統考量的重點問題。

本系統主要包含以下幾個模塊：①注塑模具監測模塊，主要由注塑機和各類傳感器組成；②成品自動化檢測模塊，主要由CCD相機、光源、圖像采集卡和超高速輪廓儀等組成；③質量反饋模塊，主要由工業計算機(IPC)、PLC和觸摸屏等組成。本文研究所采用的注塑生產線模具為1模4穴的結構布局，工作節拍為1.85 s，視覺系統處理時間在20～300 ms之間，全流程節拍在5 s內。本系統的整體結構如圖1所示。

系統的工作流程為：注塑機生產出的汽車接插件經傳送帶傳輸至成品自動化檢測模塊，CCD相機和輪廓掃描儀進行拍照和掃描處理，并將數據傳輸至視覺系統和IPC(所有數據存儲須外擴高速內存)，圖像等數據經視覺系統和IPC綜合處理后反饋輸出，對于檢測不合格的成品進行剔除(由PLC控制氣缸將其頂出)，考慮到安全和實際操作等問題，反饋結果帶有報警功能，提供的數據供操作人員參考以調節生產過程中的各項參數。

2 質量檢測系統各模塊硬件設計

本系統硬件部分基于PLC+IPC控制系統，各自完成控制與信息采集、數據處理和參數修改等工作，該種組合方式因其可靠性在工業現場被廣泛運用[10-12]。

2.1 注塑模具監測模塊

雖然注塑機本身自帶各類傳感器來控制注塑過程參數，但為了更好地監測注塑成型過程以及方便后續迅速、及時地反饋調整，針對本文所研究的汽車接插件(110 mm×63 mm×40 mm，最佳模具溫度60 ℃，熔體溫度235 ℃，保壓時間9 s，保壓壓力35 MPa，注塑時間1.3 s)，模具監測部分選擇天沐NS-B05-4-3-60MPa-G-10型壓力傳感器；NS-T52-1-1-1-5-16型溫度傳感器，傳感器測得的數據同步顯示在IPC和觸摸屏上。

2.2 成品自動化檢測模塊

成品自動化檢測模塊結構如圖2所示。

成品自動化檢測模塊主要由電腦(IPC)、智能型視覺處理平臺(CV-X200)、PLC部分模塊、光電傳感器、LED照明(CA-DC10E)、SD卡、觸摸屏、CCD相機(CA-E80)和超高速輪廓測量儀(LJ-V7000)組成。該模塊以智能型視覺處理平臺為核心，與IPC和PLC配套進行基于機器視覺檢測的圖像及輪廓信息數據處理及過程控制，各傳感器、CCD相機、光源等為輸入端，顯示器、觸摸屏等為輸出端。

2.3 質量反饋模塊

常見的視覺檢測與注塑生產關聯性不大，大多僅判斷產品是否合格，若出現大批量的產品不合格情況，無法判斷其成因，也無法指導后續的生產調整；而本系統在分析影響嵌件注塑的主要工藝參數的基礎上，將注塑加工與視覺檢測數據共享，并通過圖像等數據處理實現對大批量不合格產品的誘因進行初步分析與判斷，方便對注塑工藝參數進行快速調整來保證產品質量穩定，以此實現對汽車接插件質量的在線檢測與閉環控制。其過程如圖3所示。

3 質量檢測軟件系統設計

質量檢測軟件系統主要分為上位機數據處理端和下位機數據采集端2個部分。各類傳感器以及成品自動化檢測模塊將各類數據信息等傳入到上位機(IPC)，上位機計算完成后將數字信息發送到下位機(PLC等)輸出端進行顯示以及各執行端執行相應的操作。此過程自動循環進行，異常時可人為介入，以此實現對汽車接插件的質量在線閉環控制。

3.1 檢測系統主流程

在正常的注塑生產過程中，監測模溫和模壓的傳感器同步工作，注塑生產出的成品經由傳送帶輸送至視覺檢測模塊，此時視覺模塊進行初始化(包括CCD相機、圖像采集卡等)，視覺處理平臺CV-X200通知各子系統準備連續采樣并保存數據，IPC進行特征提取、中值濾波、圖像增強、邊緣檢測與缺陷檢測等機器視覺處理。出現不合格品時信號傳輸至主控電路由執行氣缸進行剔除，并且PLC計數器開始計數，HMI同步顯示數據；若下一成品合格，各子系統復位(計數器等)繼續正常生產與檢測；若繼續出現不合格品，計數器繼續計數，當連續不合格品超過預設量(初始設置為10個)，系統報警，HMI同步警報，同時輸出信號給PLC，控制各執行機構停止工作。系統工作流程如圖4所示。

3.2 PLC控制部分

由于計算機技術近年來的飛速發展，考慮到其與自動化控制的應用與配合，若選用傳統PLC可能存在很大的局限性且后期改進工作繁瑣、成本高，因而本系統選用BECKHOFF公司的基于IEC61131標準的軟PLC的TwinCAT系列[13]。具體為CX9020型CPU(工作溫度-25～60 ℃)，其支持擴展多種現場總線通信接口，以BeckHoff作為主控器可支持用戶自行編譯的TwinCAT PLC軟件，各個模塊單獨調試修改更為方便[14]。

針對出現大量連續不合格品的情況，將部分控制程序以梯形圖的形式展示，如圖5所示。在此前的研究基礎上，若出現大面積的殘次品(NG)，一般情況是注塑生產參數出現了異常，需對參數做出調整。本系統初始默認連續不合格數為10個時，判定為異常情況，需停止注塑生產，此時除了將不合格品通過氣缸做出頂出動作外，還會停止傳送帶電機，停止前序生產與后序檢測工作。

圖5中Y000為輸出控制傳送帶電機，C1為計算殘次品個數的計數器，Y001為輸出控制用來頂出殘次品的執行氣缸。

3.3 檢測系統各部分通信協議

視覺檢測系統與PLC的硬件連接：通過并行端口連接線，一頭連接CCD視覺檢測系統控制器，另一頭連接PLC CPU上的I/O端子接口，實現視覺檢測系統與PLC的硬件連接，此方式基于Ethernet/IP協議進行視覺檢測軟件和PLC的通信。

3.4 接插件圖像閾值處理

對于機器視覺在工業檢測中的應用，需要對環境進行某些范圍的控制，以減少與檢測圖像無關細節的影響，增強被測產品進行圖像分割處理。由于閾值處理的直觀性和快速性，其在圖像分割中占有重要地位，分割后的圖像可用公式表示為：

(1)

式中：f(x,y)是圖像在對象點(x,y)的灰度值;g(x,y)是分割后的灰度值[15]，當T是適用于整個圖像的常數時，式(1)即為全局閾值處理；當T值在一幅圖像上改變時，式(1)即為可變閾值處理。

基于上述對可變閾值處理的闡述，再結合實際操作中存在光照不均的問題，即使采取雙目視覺的方案也無法徹底避免此問題，因而需采用可變T進行局部閾值處理。計算后若所檢測圖像還存在不相關的噪聲等，可利用均值濾波法對選定區域進行消除無規律白點處理。

3.5 閉環反饋程序

視覺處理平臺及IPC處理完成后，需要輸出信息反饋顯示來指導參數調整，以此來提高后續產品質量，完成整個注塑生產與檢測的質量在線閉環控制。

課題組所選的觸摸屏型號為GC4000系列GC-4401W，為7英寸LCD顯示屏，分辨率800×480，有2個USB接口和2個COM口。觸摸屏部分輸出界面如圖6所示，除基本操作與指示界面外，針對檢測總產品數、合格與不合格數、不合格類型、設定工藝參數與實時工藝參數，以及歷史報警的記錄情況等做出了詳細的輸出，供工程師迅速判斷缺陷成因以及時調整生產。

4 質量檢測系統應用驗證

針對汽車接插件的翹曲問題，在經本系統檢測后，將其檢測數據與三坐標測量儀所測得的數據進行對比，以此來驗證系統的有效性。圖7所示為成品自動化檢測模塊相機拍得的汽車接插件(任意選擇的一個合格品)Z方向的灰度圖，從圖中可觀察到其翹曲情況。在汽車接插件底部裝配區域，選取了10個測試點進行數據測量：①三坐標測量儀(CMM)測得Z方向的數據；②采用超高速輪廓測量儀可測得Z方向的輪廓檢測值。Z方向翹曲值對比如表1所示。

表1Z方向翹曲值對比

Table 1 Comparison of warpage inZ-direction mm

Z方向測量點理論值CMM測量值輪廓儀測量值1輪廓儀測量值2輪廓儀測量值3最大差值12.4002.4002.4012.4022.3980.00222.4002.4032.4032.4032.4020.00332.4002.4012.3992.4012.3990.00142.4002.4022.3982.4012.3980.00252.4002.3992.3982.4002.3990.00262.4002.4022.4002.4022.4010.00272.4002.4022.3992.4022.4010.00282.4002.4012.4002.4032.4020.00392.4002.4042.4042.4052.4040.005102.4002.4032.4012.4032.4020.003

由表1的數據對比可以看出，輪廓儀所測得的3組數據與三坐標儀所測數據差距不大，再分別將兩者所測數據與理論值進行對比，發現輪廓儀和三坐標儀所測數據與理論值最大差值均在0.01 mm內，說明Z方向的最大變形量滿足該汽車接插件的裝配要求，從而證明了本系統的檢測分析結果(判定為合格品)是正確有效的。

5 結論

課題組設計了汽車接插件注塑生產在線質量檢測系統，通過監測模塊實現對注塑生產部分工藝參數的實時反饋，有利于改進生產及問題排查；通過檢測模塊實現對接插件表面及尺寸自動化的檢測，得到的數據進行對比來判斷產品是否合格而無需人工干預；通過反饋模塊的設計實現了接插件生產、質檢過程的閉環，此模塊在檢測產品質量的基礎上可提供對應信息以改進后續生產，進一步提高良品率。本系統后續可與機器學習等先進技術相結合，基于大數據自動分析缺陷成因并及時自動調整生產，從而進一步提高自動化率并減少人為干預，實現包括汽車接插件在內的注塑制品質量快速、精準的在線檢測。