饒建紅，鄔榮飛，楊慶華

(東莞市李群自動化技術有限公司，東莞 523808)

0 引言

電池主要由5大部分組成：正極、負極、隔膜、電解液和外殼。因生產工藝和外包裝的不同，鋰電池可以呈現多種外觀形態(tài)，常見的外觀形態(tài)有圓柱形、方形和軟包裝。按電池卷芯結構不同可分為卷繞式和疊片式，根據客戶的不同工況需求，圓柱形電池選用單極耳或多極耳的圓柱形卷繞電芯，方形電池和軟包裝電池殼選擇采用方形卷繞電芯或疊片結構電芯進行電池裝配[1]。方形電池和軟包裝電池在進行模組組裝時需要先進行電芯涂膠，如圖1所示：一般的做法是先通過3D相機獲取電池的外形輪廓，然后再用直線電機或者是機器人進行涂膠。

圖1 電池樣品外觀示意圖

針對鋰電池涂膠工藝研究，提出了一種基于基恩士激光線掃LJ-V7060動態(tài)鋰電池涂膠方案，將LJ-V7060線掃槍頭裝在機器人的末端，點膠頭放在線掃槍頭的后面，兩者相差一定的距離，距離小于電池的長邊，線掃槍頭預先掃描電池的一部分輪廓，然后位于槍頭后面的膠頭進行涂膠，一邊掃描一邊涂膠，提高涂膠的效率。在本方案中，機器人用的是東莞市李群自動化的SCARA機器人，型號為AH5020。

1 LJ-V7060的技術參數及內參外參標定

1.1 LJ-V7060的技術參數

電池的邊緣會存在卷起或 皺的情況，因此需要動態(tài)獲取xyz三維度數據?？紤]到系統要求的精度為60μm以及電池尺寸，因此選用LJ-V7060能夠滿足系統的精度要求，圖2是LJ-V7060的技術參數。

圖2 LJ-V7060技術參數

1.2 內參標定

線掃傳感器的工作截面為一個近似梯形（如圖3所示），這意味著在不同的掃描高度，傳感器獲取的x方向上的數據對應真實x方向上長度的比例因子是不一致的，需要進行標定和畸變校正。

圖3 傳感器的工作截面示意圖

對于有些廠商的傳感器如基恩士，出廠時已作內參標定，而有些廠商的傳感器需要用戶自己做內參標定?；冃Ｕ墓饺缡?1)所示：

L——物體在x方向的真實長度；

Points——傳感器掃描到的長度（點的個數）；

制作一個立方體標定塊，標定塊的長寬高尺寸已知，標定塊的尺寸精度影響到內參的標定精度。圖4為標定原理圖，標定時已知，需要求解實際應用時根據可以得出物體的x方向的真實長度L。

圖4 標定原理圖

1.3 外參標定

外參標定分為間接標定方法和直接標定方法。

1.3.1 間接標定

由于激光線掃傳感器每次發(fā)出的是一條藍色的線，本文采用的是外部觸發(fā)（下降沿）的方式，觸發(fā)一次，得到一行數據，數據點的個數為800個，數據間隔為0.02mm，也就是傳感器x方向的精度?？梢酝ㄟ^工具坐標標定的方式來得到線掃傳感器上的800個點與機器人的法蘭中心的位置偏差[2]。

圖5 坐標轉換關系

Prs——傳感器在機器人坐標系下的位置坐標；

Pre——機器人法蘭中心點在機器人坐標系下的位置坐標；

Pes——傳感器相對于機器人法蘭中心點的偏移位置。

假設傳感器下有一點P，如果知道該點P所對應的傳感器x方向的坐標，然后知道該傳感器所對應的x坐標點與法蘭之間的位置偏移，同時獲取當前機器人的法蘭位置，那么就可以得到傳感器下的點P所對應的機器人坐標。

機器人工具坐標系的標定較常用的方法為最小二乘法擬合算法[3]，利用3點或3點以上的點進行擬合得到機器人TCP位置，如果是6軸機器人，還需要得到TCF坐標。

1.3.2 直接標定

根據文獻[4]和文獻[5]，傳感器安裝在機器人手臂上主要是通過求解多組（至少兩組）齊次方程Ax=xB，A為機器人位置變換矩陣，B為傳感器位置變換矩陣。根據文獻[4]，上述齊次方程存在唯一的解的條件是A1與A2的旋轉軸不平行且旋轉角度不是0度以及180度。文獻[5]用lie group求解齊次方程，將方程寫成矩陣形式如式(3)所示：

假設有n組｛（A1，B1）（A2，B2）…….（An，Bn）｝，首先必須找到θx使得式(4)最小，

其次找到bx使得式(5)最小，

本方案中采用的是間接標定方法，標定時候需要加工制作一塊高精度標定板，設計為一塊標定板中心有一個直徑為10mm的圓柱，圓柱的高度不超過線掃傳感器的量程（-8mm～8mm），在本設計中圓柱的高度為5mm。標定板加工尺寸的精度要求不低于0.02mm，同時在進行機器人與傳感器的標定時，標定板固定在平臺上且需要調水平，水平度要求不低于0.02mm。如圖6所示。

圖6 標定板

2 系統設計方案

2.1 硬件方案設計

圖7 系統平臺示意圖

圖8 機器人夾具示意圖

圖9 控制方案示意圖

1）膠頭分為上下兩個出膠針頭，要保證點膠效果，需要保證出膠口在豎直方向上重合，為了做到這一點，機械設計通過夾具上的同心孔保證；兩膠頭間的距離根據點膠工藝控制在0.5mm，通過制作0.5mm厚的標準塊去校對。

2）機架下方安裝標定相機及鏡頭，安裝高度保證可調節(jié)到物距，具體參數后面相機選型會提及，由于點膠頭的工具坐標標定采用的鏡頭是遠心鏡頭，遠心鏡頭無法調焦，所以相機的安裝考慮旋鈕微調高度、螺釘遠調的結構。

3）電池承載裝置，平面與機器人Z軸盡可能垂直，保證膠頭與電池邊緣角度出膠合理。

4）UV固化燈以及升降裝置，升降的設計是一方面固化UV膠，另一方面升降可以避免與機器人夾具干涉。

2.2 軟件方案設計

圖10是系統交互框架圖，軟件系統主要分為上位機和下位機，上位機分別于激光線掃控制器和機器人控制器進行網絡通信，上位機從激光線掃控制器讀取電池3D點云數據并進行處理轉換得到機器人運動軌跡數據，機器人負責控制DO信號觸發(fā)激光線掃控制器進行數據采集并按照上位機發(fā)過來的軌跡數據進行運動并控制點膠閥進行涂膠。

圖10 系統交互框架圖

圖11 數據采集流程

圖12 數據處理流程

圖13 邊緣提取流程

3 實驗結果與分析

圖14是機器人線速度在20mm/s下的點膠示意圖，如果要達到出膠均勻，需要控制器機器人末端的速度以達到勻速狀態(tài)，另外出膠的速度需要與機器人速度進行匹配，如果機器人速度比出膠的速度快，在某些位置會出現斷膠，如果機器人速度比出膠的速度慢，將會出現膠水過多的情形，實際過程中需要不斷調整出膠閥以及機器人速度。

圖14 實際點膠效果圖

4 結語

本文中提出一種新型的 電池動態(tài)涂膠方案，介紹了激光線掃傳感器內參外參標定原理及方法、硬件系統和軟件系統方案。激光線掃和點膠頭都安裝在機器人末端，激光線掃與點膠頭錯開一段距離，激光線掃提前掃描獲取一部分的電池輪廓數據并進行處理生成機器人軌跡，機器人在涂膠的同時激光線掃同時采集下一部分電池輪廓數據，這樣就達到了邊采集變涂膠的功能，通過實際測試結果可知，通過該方案得到實際涂膠效果良好，初步滿足實際的應用需求。