基于PLC控制的氧傳感線束自動壓裝設備研制

摘" 要" 針對現有氧傳感器線束手動壓裝裝配速度慢、定位精度低、裝配質量不可控等問題，設計了一套氧傳感器線束自動壓裝設備. 設備由下位機和上位機兩部分組成，下位機通過PLC控制凸輪分割機實現工件在各工站的流轉，通過工業相機實現鋯元件的正反、缺陷識別、OCR讀取、角度和位置信息的獲取，通過機器人實現了線束的力位移壓裝，并實現了端面激光清潔；上位機通過Labview實現線束裝配信息的獲取及裝配質量的數據追溯. 該設備結構簡單，性能穩定，運行安全可靠. 試驗樣機測試結果表明，定位誤差基本控制在0.15 mm，插入力控制在10 N，裝配一致性控制在2%，裝配數據可追溯，能有效提升裝配質量和車間自動化水平，降低工人勞動強度.

關鍵詞" 氧傳感器；機器視覺；力位移控制；線束壓裝包裝

中圖分類號" TB486+.03" " 文獻標識碼" A

0" 引" 言

汽車氧傳感器是電噴發動機控制系統中關鍵的反饋傳感器，它的主要功能是測量尾氣中的氧含量以監測尾氣是否符合排放標準，是控制汽車尾氣排放、降低汽車對環境污染，提高汽車發動機燃油燃燒質量的關鍵零部件[1-3]. 氧傳感器由電源線束和分總成殼體壓裝而成，其壓裝質量直接影響著尾氣測量結果，目前線束壓裝均為人工壓裝，缺點是裝配速度慢、定位精度低、裝配質量不可控、勞動強度大[4-5]. 隨著汽車工業的迅速發展及環保要求的提高，氧傳感器市場需求量巨大，傳統的人工壓裝已滿足不了需求.

隨著機器人技術和工業相機技術的發展，一些應用場合優先利用機器視覺技術，由計算機替代監控人員進行圖像理解[7-9]. 機器視覺是通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置，具有速度快、精度高、噪聲低、抗電磁干擾能力強及應用方便靈活的特點，可以長時間工作于惡劣環境，便于進行數字化處理和計算機連接，可為企業減少勞動力和提高生產效率，在圖像采集、非接觸測量和實時監控方面得到了廣泛應用[10-11].

機器視覺的發展使線束自動壓裝成為可能，目前將機器視覺檢測技術應用到氧傳感器線束壓裝已成為研究的一個熱點. 針對線束壓裝的現狀及未來自動化生產的需求，結合機器視覺的優勢，本文設計了一套基于PLC控制的氧傳感器線束自動壓裝設備，完成了殼體和線束端面的自動清潔及力位移自動裝配，并實現了裝配質量的數據追溯，徹底解決了人工壓裝速度慢、精度低及裝配質量不可控的難題，突破了汽車零配件自動化生產的瓶頸工位，提高了產品質量和產線的自動化水平.

1" 設備組成及工作原理

1.1" 需求分析

氧傳感器如圖1所示，由線束和殼體兩部分組成. 氧傳感器分總成殼體末端是鋯元件，用于檢測汽車尾氣氧氣濃度，實際使用需要將鋯元件末端芯線按一定的力和位移壓入線束并激光焊接，以方便接入汽車中控系統. 在焊接前應能自動識別缺陷產品，為保證焊接的可靠性，在焊接壓裝前需對線束和殼體的壓裝面進行激光清潔以去除氧化雜質.

1.2" 設備組成

設備硬件結構如圖2所示，由轉盤、搬運機器人、激光清潔設備、壓裝機器人、電控裝置、氣動裝置、殼體上料抽屜、缺陷檢測相機、線束角度及位置檢測相機、殼體角度及位置檢測相機、6自由度力傳感器、掃碼槍組成，主要實現氧傳感器的端面清潔和線束壓裝，是氧傳感器焊接前必不可少的一個環節.

1.3" 工作原理

設備按功能可分為線束上下料工站、殼體上料及缺陷檢測工站、激光清潔工站和線束力控壓裝工站4個工站，依次排列在轉盤的4個方向，并在凸輪分割機的作用下使轉盤轉動以實現工件在各工站的流轉.

線束上下料工站具有產品防錯功能，用于氧傳感器線束的上料及氧傳感器成品的下料. 殼體上料及缺陷檢測工站有3個上料抽屜，每個抽屜可存80個殼體，搬運機器人從上料抽屜上取殼體，經掃碼槍掃碼并經相機進行質量缺陷檢測和OCR識別后，合格產品放置在轉盤對應的殼體工位上，不合格產品放回廢品位. 激光清潔工站實現傳感器殼體及線束端面的激光清潔，以去除氧化雜質便于后續焊接. 激光清潔在密閉空間內進行，可有效防止激光對人眼睛的傷害以及激光清潔時產生的有害氣體對人呼吸系統造成的傷害. 線束力控壓裝工站是關鍵工站，相機檢測得到的殼體及線束的位置和角度關鍵信息，經坐標變換后將坐標數據通過TCP通訊傳遞給壓裝機器人，機器人按指定位置抓取殼體，并在6自由度力傳感器的作用下完成精確的力控壓裝，將殼體按工藝要求以一定的力位移曲線插入線束，完成整個的壓裝過程.

2" 設備控制系統設計

2.1" 控制架構

根據設備的工藝需求，系統采用上位機+下位機兩部分實現. 下位機選用羅克韋爾5380系列PLC搭建控制系統[12-14]，通過變頻器控制凸輪分割機實現工件在各工站的流轉，選用高性能的光電開關和接近開關實現工裝防錯和托盤定位及位置檢測，通過Ethernet通訊與現場掃碼槍、工業相機和機器人進行數據交互，并配備高性能的12寸2711系列觸摸屏實現人機交互. 上位機采用工控機實現，搭載Labview軟件與下位機通訊實現裝配信息的監測及數據追溯，其硬件配置圖如圖3所示.

激光清潔機選用IPG公司的P30系列，通過與下位機PLC進行IO通訊，實現線束和殼體端面按預設程序進行清潔. 機器人選用EPSON公司C4系列6自由度機器人，重復定位精度可達0.02 mm，搬運機器人實現從殼體上料抽屜上料，并借助掃碼槍SR1000和工業相機實現產品的正反、缺陷檢測及OCR識別，壓裝機器人末端配置S250N六自由度力傳感器，通過工業相機識別線束和殼體的角度和位置信息，經坐標變換后通過TCP/IP通訊傳遞至機器人，并引導機器人實現力位移壓裝控制.

2.2" 生產流程

人工在線束上下料工站線束槽內上好線束后點擊鼠尾開關，線束在轉盤的帶動下進入殼體上料及缺陷檢測工站，此時搬運機器人抓取殼體通過掃碼槍進行掃碼，并通過缺陷檢測相機進行正反、缺陷檢測和OCR識別，檢查合格的殼體放入殼體預置位置，隨后在轉盤的帶動下進入激光清潔工站進行端面的激光清潔以除去氧化雜質便于后續焊接，最后進入力控壓裝工站，經相機檢測的線束線芯和殼體鋯元件角度和位置信息經坐標變換后通過TCP通訊傳遞給機器人，并在六自由度力傳感器的作用下實現壓裝力位移的精確控制，壓裝完成后進入工站一完成產品的下線，依次循環，如圖4所示.

3" 機器視覺及坐標變換

3.1" 機器視覺

本項目中機器視覺主要實現兩部分功能，其中殼體上料及缺陷檢測工站的缺陷檢測相機主要實現殼體鋯元件的正反、缺陷檢測及OCR識別，如圖5所示.

線束和殼體角度位置檢測相機主要實現線束及殼體鋯元件中心位置坐標和角度識別，由于線束是隨意放置的，即使在上料時要求工人線束保持一致，經轉盤旋轉后，線束位置在圓周方向仍然是隨機分布的，且人工放置無法保證精度，線束和鋯元件方向隨機分布如圖6所示，其中a、b、c、d為線束的隨機分布情況，e、f、g、h為鋯元件殼體的隨機分布情況.

從圖中可以看出，線束的顯著特征為外圈圓形，中間是金屬芯線，一邊為3芯，一邊為2芯；殼體鋯元件從垂直角度看外部輪廓為梅花狀外圓，內部為一矩形框.

本項目中氧傳感器鋯元件的高度為6 mm，寬度為3 mm，厚度為1 mm，線束寬度為4 mm，拍照視野在14 mm×10 mm，經試驗驗證，相機選用基恩士CA-200M系列，200萬像素. 圖像分辨率■和拍照視野μ和像素視野ν的關系如式（1）所示：

■＝■（1）

已知200萬像素對應的像素視野為1 600×1 200，由式（1）可計算圖像分辨率為0.008 75 mm/pix.

3.2" 坐標變換

線束及殼體鋯元件中心的位置坐標和角度定位好后，需傳遞給機器人以指導壓裝，由于相機采集到的是像素信息，但機器人運動需要的是笛卡爾坐標系下的位置信息，為了實現相機指導機器人運動，我們必須建立機器人坐標和像素點的空間對應關系.

理想的攝像機模型是針孔模型，機器人坐標系OR XRYR ZR到圖像坐標系Of XfYf Zf的變換符合式（2）規定[15-17]：

xRyRzR＝Rxfxfzf＋T（2）

式中R和T分別為從世界坐標系到攝像機坐標系的旋轉和平移變換，R是一個3×3的正交矩陣，如式（3）所示.

R＝r1" r2" r3r4" r5" r6r7" r8" r9（3）

T是3×1的平移向量，其中Tx，Ty，Tz為平移矩陣T的三個分量，如式（4）所示.

T＝TxTyTz（4）

由于相機鏡頭固定，且線束和殼體通過機械結構保證在一個水平面內且與機器人坐標系平行，因此機器人坐標系Z軸與圖像坐標Z軸平行，無需進行Z軸的換算，只需計算機器人坐標系X，Y方向與像素之間的對應關系即可. 圖像坐標系Of XfYf到機器人坐標系Or XrYr之間的關系簡化后符合式（5）.

xryr＝r1" r2r3" r4xfyf＋TxTy（5）

為保證計算簡單可靠，我們安裝時將2個相機的像素X，Y方向和機器人的工具坐標的X、Y方向調整為一致，計算中心位置坐標時僅需簡單的矩陣加減運算即可實現，如式（6）所示.

xryr＝（xf 1yf 1－xf" 2yf" 2）×■（6）

式中，xr，yr分別為相機距理論放置點的X，Y方向上的偏量；xf 1，yf 1分別為線束理論中心點和實際中心點的像素在X，Y方向上的偏差；xf" 2，yf" 2分別為鋯元件理論中線點與實際中心點的偏差；■為相機像素的分辨率.

計算機器人旋轉變量時，僅需計算線束和鋯元件之間的旋轉角度差即可，如式（6）、式（7）所示.

Tj＝α－β（7）

式中，Tj為機器人6軸旋轉變量，α、β分別為線束相機計算角度和鋯元件相機計算角度.

4" 試驗測試

2021年12月，系統樣機組裝完畢后對傳感器的自動清潔壓裝進行測試，OCR相機數字編碼識別正確率100%，芯線金屬片缺損及缺陷檢測識別率100%，經現場儀器測試，激光清潔度滿足現場工藝要求，可滿足后續焊接的要求.

現場將線束和殼體隨意放置，經線束檢測相機和殼體相機檢測位置和角度信息后經坐標運算后傳遞給機器人，機器人按給定坐標運動至指定位置. 位置、角度檢測數據和實測數據如表1所示，從表中可以看出，相機檢測及坐標換算均具有較高的定位精度，定位誤差控制在0.15 mm以內.

設備采用機械手自動壓裝的方式以最大程度保證產品的一致性，通過六自由度力傳感器根據contact序列，incert序列和press序列力控算法進行力和位移的控制，在上位機通過Labview實現壓裝力、力矩和位移等數據采集保存，并耦合生成力-位移實時曲線. 圖7（a）為Fx，Fy，Fz三個自由度的力曲線，圖7（b）為Tx，Ty，Tz三個自由度的力矩曲線，圖7（c）為裝配力和插入位移的交互曲線，圖7（d）為壓裝一致性曲線.

從曲線中可以看出，插入力控制在10 N以內，壓裝位移和壓裝力一致性精度控制在2%，壓裝一致性較好，壓裝合格率可達99.95%以上，滿足工藝要求. 現場試驗測試5 000件，經測試節拍在9 s，定位誤差基本控制在0.15 mm，激光清潔度也滿足工藝要求.

5" 結論

本文研制了一臺氧傳感器線束自動清潔壓裝設備，通過工業相機完成殼體鋯元件和線束的正反、缺陷及OCR識別和角度、位置信息的獲取，通過機器人實現了殼體的搬運和線束力位移壓裝，通過IPG激光清潔機實現了殼體和線束端面的激光清潔，便于后續焊接，通過凸輪分割器實現了產品在各工站之間的可靠流轉，通過Labview實現了裝配信息的獲取及裝配質量的數據追溯. 本文研制的設備結構簡單，性能穩定，運行安全可靠，壓裝質量及壓裝效率均有明顯改善，從根本上解決了人工壓裝存在的速度慢、效率低、質量不可控、勞動強度大的問題，并為后續的工廠自動化奠定基礎.

該設備目前已申請發明專利，并應用在國內某汽車零配件生產企業，經實踐檢驗，該設備運轉良好，工作可靠，壓裝快速，合格率較高，滿足了客戶要求，具有較大的應用價值.

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Design of Automatic Press-Fitting Machine for Oxygen Sensor Harness Based on PLC

YANG Hongliang， LI Dong， TIAN Guangduo， LI Wenyu， LIANG Zenan

（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering， Beijing 100076， China）

Abstract： To solve the problems such as slow speed， low positioning accuracy and uncontrollable assembly quality in press-fitting of oxygen sensor harness， the automatic press-fitting equipment is designed. The equipment is composed of a lower computer and an upper computer. The lower computer controls the cam dividing machine through PLC to realize the circulation at each work station. The industrial camera realizes the positive and negative， defect identification， angle， position information acquisition of zirconium elements. The robot realizes the force displacement pressing of the wire harness and the laser cleaning of the end face. The upper computer realizes the acquisition of harness assembly information and the data tracing of assembly quality through Labview. The equipment has simple structure， stable performance and safe and reliable operation. The test results of the test prototype show that the positioning error is basically controlled at 0.15 mm， the insertion force is controlled at 10N， the assembly consistency is controlled at 2%， and the assembly data is traceable， which can effectively improve the assembly quality and workshop automation level， and reduce the labor intensity of workers.

Keywords： oxygen sensor; robot vision; force displacement control; harness press-fit