面向汽车零部件智能化生产技术研究及应用

孟庆站，于洪金，刘众望，张号，张元

摘要：以解决制约刹车片生产线高效利用领域的瓶颈问题和实现清洁加工为主要任务，首次将自动包装系统引入到刹车片的生产线中，保证了产品外观的一致性、美观性，提高了生产效率，降低了用工成本。通过数据实时采集系统，实现了企业对整体生产现状的动态监测及分析，在刹车片生产行业首次通过整合机器人多工位协同作业技术，实现了摩擦料的自动化精密称量及精准投放功能，大幅度提高了整體产线的工作效率，并且有效规避了工人在热压工序上由高温带来的作业风险。通过开发复杂作业环境鲁棒性更强的识别算法和动态识别能力更强的模糊匹配智能算法，解决当前行业应用中识别准确度底、轮廓精度差等问题。同时，依靠与服务器系统的网络互联，采用了集中加分布式的控制方法，有效避免了集中控制任务过重、规划费时的缺点，同时分布式控制的工作空间检测可保证系统的安全冗余，提升整个系统的安全等级，实现汽车零部件未知复杂工况下的柔性应用。

关键词：刹车片定位技术；汽车零部件扫描；刹车片称重系统；机器人；图像处理；轨迹识别

国外发达国家刹车片生产制造设备，由于其在技术工艺、生产管理等方面起步早、技术领先，已基本实现整个车间的无人化生产。如日本爱德克斯、阿基波罗，意大利布雷博，美国辉门公司等国际刹车片公司，在整个刹车片的生产制造流程中已达到90%的无人化。高端制造设备研发的大力投入，以及物联网技术在生产中的应用，有力保证了其产品的可靠性和市场竞争力。

国内汽车刹车片生产设备基本处于人工或半自动作业模式，控制模式上大多采用低端PLC操控简单流程作业。国内工业起步较晚，导致刹车片生产制造行业一直处于摸索的发展状态，致使在生产制造中与国际先进水平存在较大差距，工艺、设备、管理等方面长期沿袭老的技术模式，技术进步缓慢。20世纪80年代以来，有部分企业开始了有关自动投料机构、多功能打磨机构的研发工作，研究重点为单站式加工设备，解决了部分工序对人工体力要求大的问题，促进了我国刹车片制造技术的发展。目前，山东、湖北等地区的刹车片制造企业在高端设备上多采用国外进口，价格昂贵、不符合国内操作习惯、后续服务无法保证等问题一直存在。

目前，国内汽车制造业快速发展，巨大的市场需求催生了一大批刹车片制造企业。长期以来，受到技术、设备及管理等因素的影响，国内刹车片制造业存在设备简单、工艺落后；车间布局不合理，管理系统混乱；自动化程度低，大量人工干预，产品质量无法保证；能耗大、污染严重等问题。

近些年，国内在机器人智能化、自动化研究方面有了长足进步。相关机器人公司及自动化设备公司都推出了机器人产品：机器人上下料、机器人码垛、机器人搬运及机器人末端执行器等，但在整个加工流水线智能化整合方面技术储备不足，控制系统大型化、网络化、智能化水平不高。

我国装备制造业面临转型升级，从传统装备制造向智能制造装备转变需要更加智能化、信息化、科技含量更高的智能化设备，而机器人及相关配套设备正是智能化，信息化及高科技含量的典型代表。

本文所指的集成示范产线引入了软件编程、视觉识别、末端执行器开发、在线精密称重、自动化包装及DCS与PLC控制等技术，并将这些技术原理运用到实际调试运行中，实现刹车片行业产线试生产。

方法原理

1.轮廓识别技术

目前对于零件尺寸检测方法主要有人工检测法和图像处理检测法。人工检测方法主要依靠游标卡尺、千分尺等量具对待检刹车片按照图样进行每一项尺寸的测量。近年来，随着计算机科学和数字图像处理技术的快速发展，利用图像处理方法检测零件尺寸的应用也越来越广泛。

该项目整个算法流程分为3个部分。首先，根据刹车片图样和公差设计原理确定各个尺寸的最大、最小极限尺寸，并利用CAD绘图软件逆向设计刹车片尺寸允许公差控制带图（以下简称“标准模板图”），并保存为bmp黑白图像格式，作为后续待检刹车片图像比对的标准模板图。

其次，利用机器视觉系统采集待检刹车片图像并进行图像预处理，包括滤波、阈值分割、消除小联通区域得到二值图像，再将二值图像和标准模板图进行最小外接矩形处理。根据标准模版图和二值图像的最小外接矩形的长宽比来确定二值图像的放缩倍数，使二值图像得到与标准模板图相同的像素尺寸标准的实际图。

最后，利用Hough 圆检测算法得到实际图圆心坐标。根据图样要求，比较实际图两个圆心坐标差异，确定实际图旋转角度并进行旋转，使得实际图中两圆圆心横坐标一致。旋转后提取标准模板图和再次提取实际图的两圆心坐标并确定两圆心中点坐标，并以两图圆心连线中点为截取中心，截取出大小相同的两幅图像，截取以后将标准模板图进行取反运算并统计白色像素点个数；将实际图进行边缘检测，得到实际轮廓图，然后将标准模版取反图与实际轮廓图进行加法运算，并统计白色像素点个数与标准模版取反图白色像素点个数相比较，最终判断刹车片尺寸是否合格。

2.末端执行器设计研发

近年来，随着工业机器人在自动化领域中的广泛应用，刹车片的生产过程中开始引进工业机器人。但热压工序还未完成从人工到自动化的转变，目前国内的主要刹车片生产商在这一工序中依旧采用人工操作。然而现场作业环境非常恶劣，因为摩擦材料为粉尘状，存在一定的粉尘污染；同时冲压机是高温压制设备，人工操作存在安全隐患。而且人工生产时，产品质量受到人工操作的影响非常大，可能造成同一批次产品质量的参差不齐。

针对上述问题，需要设计一种刹车片热压上下料的机器人通用末端执行器。采用多功能集成为主体设计思路，以实现热压上下料自动化生产的通用末端执行器为设计目标，基于对热压原料钢背、摩擦料和浮料特性的详细了解，对钢背、摩擦料和浮料的上下料机构加以合理设计，并且适当考虑一定的产品可扩展性，达到自动完成热压工序的效果。

刹车片热压上下料的机器人通用末端执行器及时序控制方法，包括支撑框架及其周向均设摩擦料上下料机构、浮料上下料机构与取放机构，实现摩擦料上下料、浮料上下料与钢背或压制后的刹车片的取放。其中，摩擦料上下料机构与浮料上下料机构提供多个上下料位置，逐一上料，一次性下料；取放机构上提供与上下料机构上下料位置等数量的磁性吸盘，实现多个钢背在冲压机内的同时冲压。

根据设定时序，依次进行摩擦料上料→浮料上料→钢背吸附→摩擦料下料→浮料下料→放置钢背→冲压→刹车片吸附→放置刹车片。该末端执行器的优点为：通过合理设计，并适当考虑一定的产品可扩展性，达到自动完成热压工序的效果，具有成功率高、成本低的优点。

3.自动称重技术

随着电子技术和微处理机的快速发展，电子称重技术日益完善。目前的研究方向是既能获取称重信息，又能实现对称重信息数据的采集与管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，实现称重数据的自动采集与存储。

该项目利用称重模块、伺服控制技术和工业总线技术组成一套配料系统，实时识别刹车片不同种类，自动选择程序，完成整个称重工序。

根据现场工业网络控制的实际情况，利用工业控制设备西门子PLC300与带PROFIBUS-DP 接口的称重仪表，通过DP 总线的连接方式组成三种称重数据网络，不仅抗干扰能力强，而且结构简单，布线方便，实现了称重数据的双向传输。将称重单元无缝链接到生产流程中去，与计量网络进行有效的对接和网络隔离，实现了称重系统和工业流程控制的相对独立，提升了维修便利和系统的整体性能。

4.刹车片自动化包装技术

刹车片自动包装技术是将刹车片自动送入待包装的纸盒，然后通过对应的执行装置自动包装纸盒，其装盒过程主要包括取盒、放盒、推料和封盒。

此外，根据不同品种，选择是否放入说明书和合格证等凭证，自动化包装设备则要选择增加分页机构和折纸机构。

5.机器人协同作业的运动控制技术及防碰撞技术

工业机器人技术随着时间的发展得到了很大的进步，如今，工业机器人已普遍应用于各个行业。但随着任务复杂程度增大，单台机器人已不再是最佳解决方案，与单机器人构成的系统相比，多机器人系统通过机器人之间的合作与协调使系统工作能力提升，柔性增强。但随之也带来很多问题，主要有：刹车片的种类不同，导致了机器人在工作中的位姿越来越复杂，在生产线上，其他自动化设备和机器人越来越多，也对机器人的运动控制提出了更高的要求，所以在一定空间内的运动控制及防碰撞是必须要解决的。

汽车刹车片智能化生产研发及模型

1.轮廓识别开发

由于待检刹车片表面存在一些轻微划痕或者表面部分氧化，所以在CCD 拍摄时得到图像表面并非均匀光滑，因此设计性能优越的图像处理方法非常重要。

针对这些问题，首先采用中值滤波减小图像中的异常值（见图1），然后采用最大类间方差法（OTSU）对图像进行二值化处理，消除图片中的小连通区域，得到只有目标物体和背景的二值图像。中值滤波是一种非线性信号处理方法，其本质是一种顺序统计滤波器。中值滤波能使得其邻域拥有不同灰度值的点更接近于它的邻域点，因此能消除一些孤立像素点。

由图1可知，经中值滤波后的图像异常值明显减少，图像更加平滑。OTSU 阈值分割是以灰度直方图的分布为根据的，当分割的目标和背景的类间的方差达到最大将该值选取为阈值。

设原始图像f（x，y）利用OTSU 阈值分割在f（x，y）中找到一个合适的灰度值作为阈值t，则分割后的图像g（x，y） 可由式（1）表示

（1）

由上述算法得到刹车片二值图像，如图2所示。

经过OTSU 阈值分割得到的二值图像g（x，y） 仍然存在很多白色干扰点，这些干扰点会影响后续的处理，应当消除这些白色干扰点，采用连通区域法来消除这些干扰点。

连通区域法消除干扰点的原理是干扰点相对于其他大连通区域所占的像素点较少，所以设置一个像素点面积阈值t1，若连通区域Ci中像素点个数Ni小于阈值t1则将该区域滤除，滤除部分用公式（2）表示

（2）

优化后二值图像如图3所示.

实现刹车片图像二值化以后，进行图像取反，利用最小外接矩形优化算法确定取反图像缩放倍数，使二值图像与标准模板图统一像素标准得到实际图。然后利用Hough 圆检测实际图两圆圆心坐标，并比较实际图两圆心横纵坐标差异，确定实际图的旋转角度达到与标准模板图相同的水平位置，提取旋转后实际图和标准模板图两圆心坐标并确定两圆心连线的中点坐标。利用中点坐标从两幅图中截取大小相同的矩形区域，并统计标准模板图取反后白色像素点数以及将实际图进行边缘检测得到实际轮廓图。

最后将截取的两幅大小相同的图像进行加法运算并统计白色像素点数与标准模板取反图白色像素点数相比较，若两者白色像素点相等，即实际轮廓图中的白色像素点都被标准模板图白色像素点覆盖，刹车片尺寸合格，否则，刹车片尺寸不合格。

2.末端执行器的设计

末端执行器三维模型如图4所示。

上述刹车片热压上下料的机器人通用末端执行器的动作时序控制方法为：

1）通过机器人控制末端执行器的摩擦料上下料机构移动至称料机内，并进一步控制摩擦料上下料机构移动，使全部接料杯202中位于一角处的接料杯202移动至摩擦料下料位置。

2）当摩擦料下料位置处安装的光电开关检测到下方存在接料杯202后，将信号传输至称料机，此时称料机开始下漏固定數量的摩擦料，持续3s后，称料机停止下料，完成一次摩擦料下料。

3）通过机器人控制末端执行器的偏移，使相邻的接料杯移动至摩擦料下料位置。

4）重复执行步骤2）、3）过程，直至摩擦料上下料机构中12个接料杯202放上所需数量的摩擦料，完成摩擦料上料过程。

5）通过机器人控制末端执行器的浮料上料机构移动至称料机内的浮料下料位置，并进一步控制浮料上下料机构，使全部接料杯202中位于一角处的接料杯202移动至浮料下料位置。

6）当浮料下料位置处安装的光电开关检测到下方存在接料杯202后，将信号传输至称料机，此时称料机开始下漏固定数量的浮料，持续3s后，称料机停止下料，完成一次浮料下料。

7）通过机器人控制末端执行器的偏移，使相邻的接料杯202移动至浮料下料位置；

8）重复执行步骤6）、7）过程，直至浮料上下料机构中12个接料杯202放上所需数量的浮料，完成浮料上料过程。

9）通过机器人控制末端执行器的取放机构3移动至上料传送装置中传送带上方，并进一步控制取放机构3移动，使全部电磁吸盘302a中位于一角处的电磁吸盘302a移动至吸附位置。当上料传送装置上安装的光电开关检测到末端执行器后，传送带开始运行，通过在电磁吸盘302a处安装的接近开关303检测电磁吸盘302a下方是否存在钢背。若检测到下方存在钢背，则当前位于吸附位置上方的电磁吸盘通电，吸附钢背；若检测到下方无钢背，则继续在吸附位置处等待。

10）通过机器人控制末端执行器的偏移，使相邻的电磁吸盘302a移动至浮料下料位置。

11）重复执行步骤9）、10）过程，直至两套取放机构3中12个电磁吸盘302a均吸附有钢背，完成钢背吸取过程。

12）通过机器人控制末端执行器的摩擦料上下料机构整体置于冲压机腔内，三条抽拉板204在执行气缸205的带动下，同步移动，导通下料通道，一次性完成摩擦料上下料机构中12个接料杯202的摩擦料下料。

13）通过机器人控制末端执行器旋转120°，将浮料上下料机构置于冲压机腔内，三条抽拉板204在执行气缸205的带动下，同步移动，导通下料通道，一次性完成浮料上下料机构中12个接料杯202的浮料下料。

14）通过机器人控制末端执行器旋转120°，将取放机构3置于冲压机腔内，将由12各电磁吸盘302a吸附的钢背分别置于各浮料上，随后控制电磁吸盘断电，使钢背脱离电磁吸盘302a，并控制取放机构3移出冲压机腔，冲压机开始进行冲压。

15）待冲压机冲压完毕后，通过机器人控制末端执行器的取放机构3移动到冲压机腔内，使各个电磁吸盘302a对应置于各个压制好的刹车片上方，全部电磁吸盘302a通电，一次性将全部压制好的刹车片同时吸附。

16）通过机器人控制末端执行器的取放机构3移出冲压机腔内，进一步移动至回输传送装置的传送带上方制定位置，随后的全部电磁吸盘302a断电，将全部压制好的刹车片置于传送带上，至此末端执行器的单次作业完毕。返回步骤1），再次按照上述步骤进行往复作业。

3.称重系统研发

西门子PLC300通过DP总线将称重仪表连接，另外配置了两个网口：一个通过以太网协议与计量网络进行连接，另一个通过西门子内部S7协议和一级的西门子PLC400进行连接。

PLC程序的设计：在称重PLC内部建立公共数据块，一方面，通过西门子自带的驱动S7 连接，直接与一级PLC 进行数据和写质量数据的操作；另一方面，将称重信号的数据通过以太网实时发送给上位机软件进行判断和采集，使得质量数据与MES上的数据一一对应上位机软件的设计。软件也是通过特定的以太网端口，接收到来自称重PLC的组合控制数据，根据控制位的信息，对组合数据进行采集，形成一一对应的数据关系，并保存在数据库里，且可以从这个以太网端口发送指令，通过称重PLC对称重仪表进行远程操作。

称重PLC与一级PLC建立的西门子内部S7驱动连接，只需要在一级PLC内部建立公共数据块，称重PLC通过西门子内部功能块GET和PUT方法，就可以很方便地在一级PLC里进行数据的读取和写入操作，对一级PLC不会有任何影响。

称重PLC通过以太网传输方式与上位机软件通信的设置中，称重PLC只负责发送数据，上位机程序只负责接收称重数据。这种形式的PLC称重系统，在硬件使用了两个以太网口，为了节约成本，采用一个带以太网口的CPU和单独的一块网卡组成。连接方式一边以S7 驱动的方式通过以太网连接到一级PLC，另一边以TCP/IP 以太网的方式连接计量网络，将生产网络和计量网络分割在不同的网段上，保证了网络的安全性和稳定性。

结果分析

1.轮廓识别有效性实验

实际测量中，由于光照环境和图像处理工具定位等因素，工件的摆放位置对测量结果具有一定程度的影响。同一工件，随机摆放20次，进行静态测量，计算出测量值标准偏差为0.03mm，测量结果见表1。

结果显示，该技术可以高效稳定地检测出刹车片的尺寸大小，而且可以应用到实际生产当中。

2.末端执行器的多品种适应性和稳定性验证

某客户现有114种刹车片的生产需求，其最小长度为61.7mm，最大长度为249.5mm，最小宽度为37.8mm，最大宽度为108.7mm。

为验证可靠性，各尺寸数据均经过3维模拟分析，确保末端执行器的工作范围和变换方式能够满足现场要求。

3.称重系统实时精度的验证

由于称重工艺对精度的要求，特设计了一套基于PLC的多工位投料机构，以基础料仓为仓位基础，二级投放机构为高精度螺旋投料机构，保障在线称重的高精度。为验证精度，连续进行100次的300g摩擦材料的自动称重，数据如图5所示。

数据显示，100次内磨料的误差为±0.5g，满足刹车片对摩擦材料质量的高精度要求。

结语

本文设计的汽车零部件智能化生产技术是在当前工业机器人单工作站发展基础上，结合产线式发展趋势要求，根据集中控制与分层控制理论，提出了一种具有示范效应的刹车片生产机器人集成运用的方法，并进行了深入研究，创新性的形成了集上下料、搬运、喷塑、打码、包装及仓储为一体的机器人应用理论。

在理论研究基础上，开展了多项原创性的实验研究和开发性工作，建成了多机器人协同作业示范产线。并在此研究中，开发了视觉监测软件与多品种精准投放料系统，研制了多机器人组控制系统， 提出了机器人一键式起动概念，对机器人辅助自动投放料系统进行多次验证，投放效果要比人工提高70%。通过机器人来完成投放工作，更好地保证了产品的一致性，把人从粉尘与高温环境中解放出来，减少编程时间，提高生产效率。在自动控制方面，产线采用利用DCS与PLC实现智能化控制；利用网络通信技术及离线式端口通信技术实现机器人与外围设备的信息交换及传输功能实现智能制造。

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