基于工業(yè)機(jī)器人的極板搬運(yùn)工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王哲祿

【摘 要】在中國制造2050和工業(yè)4.0“機(jī)器換人”的大背景下，中國工業(yè)生產(chǎn)正由制造向智造轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文在鉛蓄電池極板生產(chǎn)線中引入工業(yè)機(jī)器人，開發(fā)了一種極板搬運(yùn)工作站，并進(jìn)行了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大提電池極板生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人；電池極板；搬運(yùn)工作站

Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot

WANG Zhe-lu

（Department of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou Zhejiang 325035， China）

【Abstract】Under the“Made in China 2025” and “Industry 4.0”， China industry is changing from manufacturing to intelligent manufacturing.In this paper， the industrial robot is introduced into the plate production line， meanwhile a kind of plate handing workstation is developed. The design of PLC control system is carried out in the workstation. The robot workstation greatly improves the production efficiency of the battery plate and realizes automation.

【Key words】Implementation robot； Based plate； Moving station

0 引言

鉛蓄電池是一種技術(shù)成熟且安全性能好的能源，工業(yè)和生活領(lǐng)域的發(fā)展，如低速電動(dòng)車、通訊設(shè)備儲(chǔ)能等都離不開鉛蓄電池，尤其是電動(dòng)車是減少大氣污染的重要措施。然而在電池極板生產(chǎn)中，行業(yè)內(nèi)規(guī)?；\(yùn)作的企業(yè)主要還是依靠勞動(dòng)力手工操作，特別是電池極板上下料搬運(yùn)作業(yè)，其勞動(dòng)工作強(qiáng)度大，員工搬運(yùn)工作效率低下、同時(shí)鉛粉污染危害健康人員的身體，影響工人的工作壽命[1]，其發(fā)展急需產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

在國外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，形成了一些具有競爭力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德國的KUKA[2-3]，占領(lǐng)國際和國內(nèi)市場上的大部分份額。在國內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人受制核心零部件和工藝原因，還在剛起步。目前有沈陽新松、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化有限公司等，在系統(tǒng)集成和核心零部件進(jìn)行了相關(guān)的研究和突破，都有了相應(yīng)的進(jìn)展。同時(shí)國內(nèi)也涌現(xiàn)了一大批以工業(yè)機(jī)器人集成技術(shù)為中心的公司，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的集成應(yīng)用，引進(jìn)國外技術(shù)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，為制造業(yè)、快消行業(yè)等服務(wù)工作。

工業(yè)機(jī)器人是一種能模仿人工操作，可編程和自動(dòng)控制的高端智能裝備，具有高自動(dòng)化、柔性化，是中國實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0“機(jī)器換人”戰(zhàn)略的核心，是“中國制造2025”戰(zhàn)略的重要組成部分。在鉛蓄行業(yè)，引入工業(yè)機(jī)器人，可以代替手工操作的同時(shí)可以大大提電池極板生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)安全和提高企業(yè)的效益[4]。因此，機(jī)器人極板搬運(yùn)工作站的研究對鉛蓄行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)器人極板搬運(yùn)工作站的設(shè)計(jì)

目前工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要以機(jī)器人人工作站和機(jī)器人工作生產(chǎn)線的形式進(jìn)行整合集成應(yīng)用。搬運(yùn)機(jī)器人工作站，它的主要工作任務(wù)針對重物、消耗人力大且動(dòng)作簡單重復(fù)的搬運(yùn)和貯藏工作[5]，如機(jī)床上下料、堆料碼垛，機(jī)床柔性線等。針對電池極板的幾何特性分析和工藝要求，進(jìn)行極板機(jī)器人搬運(yùn)工作站的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1.1 工作站工作原理

機(jī)器人極板搬運(yùn)工作站由搬運(yùn)機(jī)器人、電池極板輸送機(jī)、極板架和控制系統(tǒng)等組成。機(jī)器人工作站以工業(yè)機(jī)器人為工作核心，極板輸送機(jī)和極板架都在機(jī)器人工作空間內(nèi)，工作時(shí)，電池極板由極板輸送機(jī)運(yùn)送至輸送機(jī)末端定位點(diǎn)，然后等待機(jī)器人抓取電池極板，機(jī)器人收到相應(yīng)的傳感器信號(hào)后，按照預(yù)先規(guī)劃的路徑到達(dá)極板位置，末端夾取執(zhí)行器夾手對其進(jìn)行夾取，然后按照規(guī)劃軌跡搬運(yùn)至極板架位置，將極板準(zhǔn)確放置于極板架上，代替人工作業(yè)。

1.2 工作站機(jī)器人選型

衡量工業(yè)機(jī)器人的指標(biāo)很多，有自由度、工作空間、定位精度及重復(fù)定位精度、承載能力及最大工作速度等。極板搬運(yùn)工作站的機(jī)器人選型主要考慮以下幾個(gè)重要指標(biāo)：

（1）自由度指標(biāo)，它是衡量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活程度的參數(shù)，是衡量機(jī)器人的重要指標(biāo)，自由度越多，機(jī)器人越靈活，一般地工業(yè)機(jī)器人的自由度為3-6個(gè)。

（2）工作空間指標(biāo)，它指的是機(jī)器人的工作范圍，機(jī)器人腕部或者末端執(zhí)行器能達(dá)到的最大范圍，工作空間越大，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍越大。在運(yùn)動(dòng)控制中，注意機(jī)器人的極限位置，注意抓取位置和極限位置的考慮。

（3）承載能力指標(biāo)，機(jī)器人在工作范圍內(nèi)任何位置能承受最大的載荷，取決于負(fù)載的質(zhì)量、速度和加速度等，同時(shí)要考慮末端執(zhí)行器的質(zhì)量，故機(jī)器人承載能力是末端執(zhí)行器和機(jī)械手抓取負(fù)載的總和還要大。

（4）定位精度指標(biāo)，機(jī)器人實(shí)際位置與理想位置之間的偏差，同時(shí)重復(fù)定位精度是考驗(yàn)一個(gè)機(jī)器人同一環(huán)境和條件下，重復(fù)若干次其分散的偏差值，機(jī)器人多次重復(fù)到相同位置的偏差越小，機(jī)器人的重復(fù)定位值越高。

通過這幾個(gè)指標(biāo)，極板搬運(yùn)機(jī)器人工作站可以選擇工作空間大、承載能力強(qiáng)、定位精度高的6自由度工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人工作的機(jī)器本體，設(shè)計(jì)相應(yīng)的安裝座，以它為中心來設(shè)計(jì)整個(gè)工作站的安裝控件。同時(shí)，6自由度的機(jī)器人具有較高的靈活性，方便完成極板的抓取和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路徑的軌跡規(guī)劃。

1.3 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)一般是針對作用對象進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，它是機(jī)器人操作與目標(biāo)對象直接接觸進(jìn)行工作，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，它可以擴(kuò)大工作空間范圍，提升工作作業(yè)能力具有非常重要的作用。有電磁式、氣動(dòng)式、機(jī)械式等，其中機(jī)械式夾取可以分為雙指式和多指式，其中雙指式又分為回轉(zhuǎn)式和平移式。根據(jù)電池極板的幾何外形，故末端執(zhí)行器夾具可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的平移型二指手抓對其進(jìn)行抓取，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)動(dòng)作快，靈活，動(dòng)力清潔等優(yōu)點(diǎn)，其平移范圍必須大于極板的橫向尺寸。

1.4 電池極板輸送機(jī)

電池極板輸送機(jī)由支架，輸送鏈、輸送槽、極板定位板等組成，其中輸送鏈安裝在機(jī)架的若干個(gè)鏈槽內(nèi)。工作時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)，然后鏈?zhǔn)絺魉蜋C(jī)構(gòu)對放置在其上面的電池極板進(jìn)行傳送。采用鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，啟動(dòng)時(shí)電池極板運(yùn)行平穩(wěn)，無打滑現(xiàn)象，其適用于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)

機(jī)器人極板搬運(yùn)工作站電氣控制系統(tǒng)主要的功能實(shí)現(xiàn)包括：①工業(yè)機(jī)器人示教、調(diào)試編程與自動(dòng)運(yùn)行等功能；②極板末端執(zhí)行器氣缸動(dòng)作、傳感器的信號(hào)傳遞，實(shí)現(xiàn)抓??；③工業(yè)機(jī)器、PLC和人機(jī)界面交互和參數(shù)的設(shè)置；④整個(gè)極板搬運(yùn)工作站的實(shí)現(xiàn)。

2.1 極板工作站控制系統(tǒng)組成

極板搬運(yùn)工作站的控制系統(tǒng)包括：①PLC控制系統(tǒng)；②機(jī)器人控制系統(tǒng)；③示教器。其主要系統(tǒng)采用PLC為控制核心，機(jī)器人控制器的I/O信號(hào)模塊與PLC通信模塊可以直接或者間接通信，電池極板輸送鏈上的極板信號(hào)和極板末端執(zhí)行器信號(hào)也是通過PLC然后傳遞給機(jī)器人，進(jìn)行信號(hào)的傳遞。工作時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人按照人工示教好的程序正常運(yùn)行，同時(shí)受PLC的控制。

（1）機(jī)器人示教器，機(jī)器人編程有離線編程和示教編程，示教再現(xiàn)是機(jī)器人編程應(yīng)用較廣的編程方式。工作人員觀察產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程，然后根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，對工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作位姿、工作路徑、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，按照需要的任務(wù)要求完成機(jī)器人編程示教。整個(gè)編程過程中，機(jī)器人示教器是一個(gè)重要的編程設(shè)備，通過其對機(jī)器人進(jìn)行控制。

（2）機(jī)器人控制器其核心是多軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對多軸機(jī)器人的關(guān)節(jié)伺服控制，同時(shí)又相應(yīng)的機(jī)器人專用端口和機(jī)器人通用端口和PLC進(jìn)行信息傳遞，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的總線控制和以太網(wǎng)控制端口，方便與外部設(shè)備通訊。

（3）PLC控制柜，其以PLC為控制核心，將機(jī)器人控制柜、傳感系統(tǒng)、人機(jī)界面進(jìn)行集成控制，整個(gè)搬運(yùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依賴PLC的邏輯控制的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)，具有非常重要的作用。

2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人工作站的控制軟件設(shè)計(jì)以PLC為中心實(shí)現(xiàn)。根據(jù)搬運(yùn)工作站的工作原理，首先采用示教器對機(jī)器人進(jìn)行軌跡路徑規(guī)劃，考慮機(jī)器人在搬運(yùn)極板時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，以最舒服的姿態(tài)來進(jìn)行工作。將機(jī)器人進(jìn)行軌跡示教完成以后，再根據(jù)機(jī)器人抓取執(zhí)行器極板準(zhǔn)備、極板到位、進(jìn)行抓取、機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)到極板架放置，放置結(jié)束后重新循環(huán)開始的整個(gè)過程，然后進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、信號(hào)顯示系統(tǒng)和系統(tǒng)復(fù)位。

（1）系統(tǒng)初始化：當(dāng)整個(gè)控制系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，按一下初始化按鈕，機(jī)器人搬運(yùn)工作站所有的執(zhí)行動(dòng)作按照一定的先后順序恢復(fù)到預(yù)先的原始位置，使機(jī)器人工作站處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備開始工作。

（2）手動(dòng)運(yùn)行：機(jī)器人單機(jī)示教軌跡路徑，完成路徑的最佳規(guī)劃，手動(dòng)運(yùn)行是用來對整個(gè)機(jī)器人各個(gè)功能塊進(jìn)行調(diào)試時(shí)的狀態(tài)。通過手動(dòng)運(yùn)行模塊，可以調(diào)試抓取執(zhí)行器的開合動(dòng)作，以此來進(jìn)行極板的抓取力度調(diào)節(jié)。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)抓取后整機(jī)聯(lián)合運(yùn)行調(diào)試操作，讓機(jī)器人、末端執(zhí)行器和極板輸送架達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）自動(dòng)運(yùn)行：自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)是整機(jī)連續(xù)工作狀態(tài)，一旦參數(shù)都設(shè)置好后，正常情況下進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人能自動(dòng)完成電池極板的抓取，搬運(yùn)、放置循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，可以通過按鈕或者觸摸屏上的啟動(dòng)開始，接受停止指令后停止。其程序的設(shè)計(jì)可以采用步進(jìn)順序控制，按照一定的生產(chǎn)流程來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人極板的搬運(yùn)工作。

（4）信號(hào)顯示系統(tǒng)和復(fù)位系統(tǒng)：通過信號(hào)顯示可以觀察系統(tǒng)的運(yùn)行情況，可以觀察其各功能狀態(tài)，通過信號(hào)顯示來判斷程序運(yùn)行的進(jìn)度、狀態(tài)以及極板的搬運(yùn)數(shù)量。同時(shí)一旦出現(xiàn)故障，可以通過報(bào)警燈來提示故障問題，通過觸摸屏顯示系統(tǒng)快速找到故障點(diǎn)，并且可以通過相應(yīng)的復(fù)位系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，主要通過觸摸屏和組態(tài)來實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)和人的人機(jī)交互，通過信息的交流來實(shí)現(xiàn)人對搬運(yùn)機(jī)器人的控制。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的純按鍵操作平臺(tái)逐漸被觸摸屏所取代，可以克服接線繁瑣、按鈕多等諸多問題。同時(shí)，隨著組態(tài)技術(shù)的發(fā)展，可以組建適合工業(yè)生產(chǎn)相應(yīng)的控制系統(tǒng)界面，包啟動(dòng)、停止、循環(huán)、單機(jī)及數(shù)等功能，同時(shí)可以制作相應(yīng)效果更好的系統(tǒng)界面。

本文選取昆侖通態(tài)的觸摸屏為人機(jī)交互界面，同時(shí)通過昆侖的MCGS組態(tài)軟件集成實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作站的控制要求，根據(jù)機(jī)器人工作站功能及控制任務(wù)的要求，配置相應(yīng)的對象定義，編輯屬性和狀態(tài)特征等，同時(shí)制作組態(tài)畫面來顯示狀態(tài)信號(hào)和一系列的人機(jī)操作等。人機(jī)界面完成控制硬件與軟件的聯(lián)系，建立了操作人員與監(jiān)控層的控制與溝通平臺(tái)，在機(jī)器人搬運(yùn)工作中方便靈活。

3 總結(jié)

本文開發(fā)了一種鉛蓄電池的極板搬運(yùn)機(jī)器人工作站，該極板搬運(yùn)機(jī)器人工作站可以實(shí)現(xiàn)極板輸送、定位抓取、搬運(yùn)、放置等功能，同時(shí)控制系統(tǒng)采用PLC和昆侖人機(jī)界面進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)整機(jī)的運(yùn)行，其操作性高、性能穩(wěn)定，從而代替人工實(shí)現(xiàn)極板的自動(dòng)搬運(yùn)，大大提高工作效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王貴民，馬曉建，趙信正.蓄電池生產(chǎn)線極板上料裝置[J].輕工機(jī)械，2014，3（32）：47-50.

[2]王田苗，陶永.我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展技化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，9（50）：1-13.

[3]顧震宇.全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機(jī)電一體化，2006，2：6-9.

[4]陳立新，郭文彥.工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010，3：133-135.

[5]王海霞，李志宏，吳清鋒.工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015，10（44）：112-114.

[責(zé)任編輯：王楠]