潘 桓， 史佳超， 王慶東

1.上海電氣自動(dòng)化集團(tuán) 上海 200070 2.上海空間電源研究所 上海 200245

1 開(kāi)發(fā)背景

熱電池生產(chǎn)過(guò)程中，由于電池材料的性能要求，生產(chǎn)環(huán)境溫度不高于－36℃。生產(chǎn)工人不能長(zhǎng)時(shí)間在這一環(huán)境下工作，因此設(shè)計(jì)自動(dòng)設(shè)備來(lái)替代人工操作是大勢(shì)所趨［1-4］。

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)就是針對(duì)這種特殊要求而開(kāi)發(fā)的，整個(gè)系統(tǒng)要求稱量速度快，計(jì)量精確，稱量環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作員只負(fù)責(zé)上下料工作［5-7］。

2 系統(tǒng)用途

多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)主要用于熱電池粉料的稱量，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱電池單體備用加熱粉、正極粉、隔離粉、負(fù)極粉的自動(dòng)稱量，并可對(duì)稱量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

3 組成機(jī)構(gòu)

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)由粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)、粉碗自動(dòng)裝盤(pán)機(jī)構(gòu)、粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)、機(jī)器人單元等組成，如圖1所示。稱量系統(tǒng)周邊與頂部增設(shè)遮蓋，防止粉塵侵入。各機(jī)構(gòu)由電氣控制系統(tǒng)控制協(xié)同工作，完成送料、稱量、輸出、物流等自動(dòng)處理流程［8-10］。粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)共有五個(gè)，正常情況下有四個(gè)在運(yùn)行、一個(gè)備用，可稱量四種粉料。通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，可以保證稱量系統(tǒng)在某個(gè)粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)發(fā)生故障后仍可以使用備用機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)行。

粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)只需加入空料盤(pán)和粉料，就能根據(jù)稱量系統(tǒng)設(shè)定的稱量值和精度等級(jí)自動(dòng)完成稱粉工作，并將料盤(pán)送到指定地點(diǎn)，等待取走。機(jī)器人單元快速搬運(yùn)稱量系統(tǒng)成品，可使稱量系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)操作人員的離線工作方式，并對(duì)成品料盤(pán)進(jìn)行按組排列。

圖1 多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)

4 機(jī)械設(shè)計(jì)

4.1 粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)

粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)由自動(dòng)振粉系統(tǒng)、空粉碗自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)、粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)和稱量設(shè)備組成，如圖2所示。人工將裝有固定數(shù)量的一疊空粉碗放到空粉碗自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)位置。在電氣控制系統(tǒng)控制下，粉碗落入粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)中。該機(jī)構(gòu)將空粉碗切換至自動(dòng)稱量位置，再由自動(dòng)振料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粉料的分離，直至稱量出所需粉料的量，自動(dòng)振料系統(tǒng)停止振動(dòng)。粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)將稱量合格的粉碗切換至機(jī)器人抓取位置，以供機(jī)器人完成抓取動(dòng)作。當(dāng)稱量不合格時(shí)，機(jī)器人抓取不合格的粉碗，將其放進(jìn)廢料回收機(jī)構(gòu)。

4.1.1 自動(dòng)振粉系統(tǒng)

自動(dòng)振粉系統(tǒng)利用直線振動(dòng)器，將料倉(cāng)中的粉料均勻地振動(dòng)分離，如圖3所示。料倉(cāng)內(nèi)設(shè)有濾網(wǎng)，可過(guò)濾粘結(jié)的粉料，從而保證粉料顆粒的均勻一致性。濾網(wǎng)可以被快速更換，并且設(shè)有出料閥門(mén)，可根據(jù)不同的粉料需求調(diào)節(jié)出料閥門(mén)，以達(dá)到粉料的需求量。此外，還設(shè)有低粉報(bào)警傳感器，當(dāng)粉量到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，傳感器報(bào)警提示，人工進(jìn)行加料。直線振動(dòng)器濾嘴口采用316不銹鋼材料，其余部位采用304不銹鋼材料。

圖2 粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)

圖3 自動(dòng)振粉系統(tǒng)

4.1.2 空粉碗自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)

空粉碗自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)利用夾爪氣缸夾取粉碗，頂升氣缸接取粉碗，通過(guò)夾爪氣缸與頂升氣缸配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)粉碗的逐個(gè)分離，如圖4所示。人工拿取預(yù)先裝好的一疊粉碗，裝載到固定位置。拔下插銷片，粉碗落入夾爪氣缸夾具中。電氣控制系統(tǒng)控制氣缸動(dòng)作，完成粉碗的自動(dòng)供給。

4.1.3 粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)

粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)利用分度盤(pán)將一分位的空粉碗旋轉(zhuǎn)到二分位的稱量位置，待粉料稱量完成后，再自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至三分位及四分位的抓取位置，等待機(jī)器人完成抓取動(dòng)作。在一分位旋轉(zhuǎn)過(guò)后，分度盤(pán)的后續(xù)空分位相繼到達(dá)一分位位置，循環(huán)接取空粉碗。粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖4 空粉碗自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)

圖5 粉碗自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)

4.1.4 稱量設(shè)備

稱量設(shè)備中，由計(jì)算機(jī)控制高精度電子天平來(lái)完成稱量任務(wù)，如圖6所示。稱量設(shè)備單獨(dú)設(shè)計(jì)天平支撐，防止因振動(dòng)帶來(lái)的稱量不準(zhǔn)確，減小稱量不合格率。

4.2 粉碗自動(dòng)裝盤(pán)機(jī)構(gòu)

粉碗自動(dòng)裝盤(pán)機(jī)構(gòu)需要在單軸機(jī)器人的配合下完成工作，如圖7所示。工作時(shí)，先由人工將固定數(shù)量的一疊粉盤(pán)放至固定位置，單軸機(jī)器人將粉盤(pán)上升至粉碗自動(dòng)裝盤(pán)初始位置，六軸機(jī)器人將稱量完成的粉碗抓取放進(jìn)粉盤(pán)，完成自動(dòng)裝盤(pán)。每裝好一盤(pán)，由機(jī)器人取走，放入粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)指定位置?？辗郾P(pán)自動(dòng)上升至裝盤(pán)初始位置，循環(huán)進(jìn)行。

圖6 稱量機(jī)構(gòu)

圖7 粉碗自動(dòng)裝盤(pán)機(jī)構(gòu)

4.3 粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)

機(jī)器人將裝好粉碗的粉盤(pán)放至粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)的初始位置。待放滿兩疊之后，氣缸快速推動(dòng)粉盤(pán)，到達(dá)人工取盤(pán)位置。隨后，工人取出粉盤(pán)到下一工位。粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 粉盤(pán)快速輸出機(jī)構(gòu)

4.4 機(jī)器人單元

機(jī)器人單元由發(fā)那科LR-MATE 200i D六軸機(jī)器人及其固定框架組成。為方便進(jìn)入使用室，框架在設(shè)計(jì)上采用易于分拆和安裝的結(jié)構(gòu)，可在短時(shí)間內(nèi)完成拆卸和安裝，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人單元

5 電氣控制系統(tǒng)

整個(gè)電氣控制系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的部分組成，包括粉料自動(dòng)稱量控制系統(tǒng)、粉碗自動(dòng)裝盤(pán)控制系統(tǒng)、粉盤(pán)快速輸出控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、可編程序控制器（PLC）控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等。

PLC作為傳統(tǒng)的工業(yè)控制技術(shù)，正由最初的邏輯控制向過(guò)程控制發(fā)展。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，PLC正在走向運(yùn)動(dòng)控制和以工業(yè)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的分散控制，這將是PLC技術(shù)發(fā)展的主要發(fā)展方向。PLC控制技術(shù)雖然面臨著來(lái)自其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也在吸收其它控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，互相融合，不斷創(chuàng)新，在工業(yè)各領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，PLC通過(guò)串口和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。PLC的五個(gè)串口分別連接五套稱量模塊，通過(guò)模擬量輸入輸出模塊連接五套送料控制器，進(jìn)而控制送料機(jī)構(gòu)的送料速度。分度盤(pán)、粉碗料庫(kù)、粉盤(pán)料庫(kù)、出料機(jī)構(gòu)均采用開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。機(jī)器人和PLC通過(guò)Device Net總線進(jìn)行連接。

進(jìn)行粉料稱量控制時(shí)，PLC通過(guò)模擬量輸入輸出模塊控制送料控制器的速度，以調(diào)節(jié)送料機(jī)構(gòu)下料的速度。稱量模塊通過(guò)串口連接PLC，PLC通過(guò)串口讀取稱量模塊上料的數(shù)據(jù)，然后和設(shè)定值進(jìn)行判斷比較，再通過(guò)控制模擬量模塊電壓的輸出來(lái)調(diào)節(jié)自動(dòng)振粉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC通過(guò)Device Net總線和機(jī)器人進(jìn)行連接通信，PLC可以讀取機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)，并控制機(jī)器人去取粉盤(pán)、成品等?，F(xiàn)場(chǎng)供電為交流380 V三相五線制，并配置供氣氣源，管徑根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定，并增設(shè)一道氣路用于吹掃清理現(xiàn)場(chǎng)。

6 工作流程及故障處理方式

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)工作流程如圖10所示。

圖10 多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)工作流程

6.1 粉碗抓取流程

粉碗從料庫(kù)落下，分度盤(pán)旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進(jìn)入一分位進(jìn)行稱量。稱量完畢后，分度盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進(jìn)入二分位通知機(jī)器人抓取。若后面一個(gè)粉碗稱量完畢，而三分位沒(méi)有粉碗，則分度盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進(jìn)入三分位并通知機(jī)器人抓取。機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行抓取。若一側(cè)的兩個(gè)分度盤(pán)三分位都有粉碗，則機(jī)器人一次性將兩個(gè)粉碗一起抓取。若一側(cè)的兩個(gè)分度盤(pán)三分位僅一個(gè)有粉碗，則機(jī)器人等待兩個(gè)分度盤(pán)三分位都有粉碗時(shí)一起抓取。若一側(cè)的兩個(gè)分度盤(pán)三分位都沒(méi)有粉碗，則機(jī)器人分別抓取兩個(gè)分度盤(pán)二分位的粉碗。粉碗抓取示意圖如圖11所示。

6.2 加料流程

每個(gè)粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)前方都加裝一個(gè)加料按鈕盒，按鈕盒由一個(gè)帶燈的綠色按鈕指示燈和一個(gè)黃色指示燈組成。正常運(yùn)行時(shí)，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈滅。少料時(shí)，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈閃爍。料用盡時(shí)，綠色按鈕指示燈滅，黃色指示燈常亮。

圖11 粉碗抓取示意圖

當(dāng)看見(jiàn)某個(gè)工位黃色指示燈閃爍或常亮?xí)r，表示該工位缺料或斷料，此時(shí)可以打開(kāi)安全門(mén)進(jìn)行加料。加料完畢后關(guān)上安全門(mén)，按下綠色按鈕指示燈完成加料。粉料自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)缺料表示粉碗料庫(kù)缺料或振動(dòng)輸送器缺粉，粉盤(pán)料庫(kù)工位缺料僅表示對(duì)應(yīng)工位粉盤(pán)缺料。

6.3 粉盤(pán)料庫(kù)抓取流程

粉盤(pán)料庫(kù)分左右兩個(gè)，機(jī)器人一旦開(kāi)始抓取某個(gè)料庫(kù)的粉盤(pán)，就會(huì)將該料庫(kù)的粉盤(pán)優(yōu)先抓取完畢后再換到另一個(gè)粉盤(pán)進(jìn)行抓取。左右兩個(gè)粉盤(pán)料庫(kù)與左右兩組出料機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)，以便人工進(jìn)行加料，與機(jī)器人互不干涉。

6.4 人機(jī)交互界面

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖12所示，借助各按鈕和指示燈進(jìn)行控制和狀態(tài)反饋，使控制系統(tǒng)正常工作。人機(jī)交互界面各按鈕具體功能見(jiàn)表1。

圖12 人機(jī)交互界面

表1 人機(jī)交互界面按鈕功能

（1）手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下，可以有以下功能：① 手動(dòng)單獨(dú)執(zhí)行某一個(gè)稱量設(shè)備，并顯示結(jié)果；②手動(dòng)測(cè)試機(jī)器人夾爪；③ 手動(dòng)初始化機(jī)器人；④手動(dòng)操作托盤(pán)料庫(kù)上下移動(dòng)。

（2）自動(dòng)模式。只有在自動(dòng)模式下，才可以正常啟動(dòng)系統(tǒng)。

（3）初始化系統(tǒng)。用于檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、檢測(cè)機(jī)器人原點(diǎn)位置、復(fù)位氣缸與夾爪等。

（4）系統(tǒng)停止。按下系統(tǒng)停止按鈕后，機(jī)器人將該周期的四個(gè)粉碗和托盤(pán)放入出料機(jī)構(gòu)，然后系統(tǒng)停止運(yùn)行。

（5）暫停和繼續(xù)。按下暫停按鈕，機(jī)器人在當(dāng)前位置暫停，程序中斷。再按下繼續(xù)按鈕，機(jī)器人從中斷的位置繼續(xù)運(yùn)行程序。

6.5 燈塔

系統(tǒng)借助燈塔對(duì)整體工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，具體包括紅、黃、綠三色指示燈與蜂鳴，見(jiàn)表2。

表2 燈塔顯示與對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)

7 結(jié)論

基于工業(yè)機(jī)器人的多工位熱電池粉料自動(dòng)稱量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、界面友好、工作效率高，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，已通過(guò)航天工業(yè)工程驗(yàn)收，并投入了實(shí)際生產(chǎn)，開(kāi)拓了工業(yè)機(jī)器人在航天工業(yè)新能源柔性制造領(lǐng)域的應(yīng)用。