基于工業(yè)機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)

潘 桓， 史佳超， 王慶東

1.上海電氣自動化集團 上海 200070 2.上海空間電源研究所 上海 200245

1 開發(fā)背景

熱電池生產(chǎn)過程中，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)工人不能長時間在這一環(huán)境下工作，因此設計自動設備來替代人工操作是大勢所趨［1-4］。

基于工業(yè)機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)就是針對這種特殊要求而開發(fā)的，整個系統(tǒng)要求稱量速度快，計量精確，稱量環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化，操作員只負責上下料工作［5-7］。

2 系統(tǒng)用途

多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)主要用于熱電池粉料的稱量，可同時實現(xiàn)熱電池單體備用加熱粉、正極粉、隔離粉、負極粉的自動稱量，并可對稱量數(shù)據(jù)進行實時存儲。

3 組成機構(gòu)

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

粉料自動稱量機構(gòu)只需加入空料盤和粉料，就能根據(jù)稱量系統(tǒng)設定的稱量值和精度等級自動完成稱粉工作，并將料盤送到指定地點，等待取走。機器人單元快速搬運稱量系統(tǒng)成品，可使稱量系統(tǒng)高效運行，實現(xiàn)操作人員的離線工作方式，并對成品料盤進行按組排列。

圖1 多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)組成機構(gòu)

4 機械設計

4.1 粉料自動稱量機構(gòu)

粉料自動稱量機構(gòu)由自動振粉系統(tǒng)、空粉碗自動供給機構(gòu)、粉碗自動切換機構(gòu)和稱量設備組成，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供給機構(gòu)位置。在電氣控制系統(tǒng)控制下，粉碗落入粉碗自動切換機構(gòu)中。該機構(gòu)將空粉碗切換至自動稱量位置，再由自動振料系統(tǒng)實現(xiàn)粉料的分離，直至稱量出所需粉料的量，自動振料系統(tǒng)停止振動。粉碗自動切換機構(gòu)將稱量合格的粉碗切換至機器人抓取位置，以供機器人完成抓取動作。當稱量不合格時，機器人抓取不合格的粉碗，將其放進廢料回收機構(gòu)。

4.1.1 自動振粉系統(tǒng)

自動振粉系統(tǒng)利用直線振動器，將料倉中的粉料均勻地振動分離，如圖3所示。料倉內(nèi)設有濾網(wǎng)，可過濾粘結(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，并且設有出料閥門，可根據(jù)不同的粉料需求調(diào)節(jié)出料閥門，以達到粉料的需求量。此外，還設有低粉報警傳感器，當粉量到達預定位置時，傳感器報警提示，人工進行加料。直線振動器濾嘴口采用316不銹鋼材料，其余部位采用304不銹鋼材料。

圖2 粉料自動稱量機構(gòu)

圖3 自動振粉系統(tǒng)

4.1.2 空粉碗自動供給機構(gòu)

空粉碗自動供給機構(gòu)利用夾爪氣缸夾取粉碗，頂升氣缸接取粉碗，通過夾爪氣缸與頂升氣缸配合動作實現(xiàn)粉碗的逐個分離，如圖4所示。人工拿取預先裝好的一疊粉碗，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)控制氣缸動作，完成粉碗的自動供給。

4.1.3 粉碗自動切換機構(gòu)

粉碗自動切換機構(gòu)利用分度盤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，再自動旋轉(zhuǎn)至三分位及四分位的抓取位置，等待機器人完成抓取動作。在一分位旋轉(zhuǎn)過后，分度盤的后續(xù)空分位相繼到達一分位位置，循環(huán)接取空粉碗。粉碗自動切換機構(gòu)如圖5所示。

圖4 空粉碗自動供給機構(gòu)

圖5 粉碗自動切換機構(gòu)

4.1.4 稱量設備

稱量設備中，由計算機控制高精度電子天平來完成稱量任務，如圖6所示。稱量設備單獨設計天平支撐，防止因振動帶來的稱量不準確，減小稱量不合格率。

4.2 粉碗自動裝盤機構(gòu)

粉碗自動裝盤機構(gòu)需要在單軸機器人的配合下完成工作，如圖7所示。工作時，先由人工將固定數(shù)量的一疊粉盤放至固定位置，單軸機器人將粉盤上升至粉碗自動裝盤初始位置，六軸機器人將稱量完成的粉碗抓取放進粉盤，完成自動裝盤。每裝好一盤，由機器人取走，放入粉盤快速輸出機構(gòu)指定位置。空粉盤自動上升至裝盤初始位置，循環(huán)進行。

圖6 稱量機構(gòu)

圖7 粉碗自動裝盤機構(gòu)

4.3 粉盤快速輸出機構(gòu)

機器人將裝好粉碗的粉盤放至粉盤快速輸出機構(gòu)的初始位置。待放滿兩疊之后，氣缸快速推動粉盤，到達人工取盤位置。隨后，工人取出粉盤到下一工位。粉盤快速輸出機構(gòu)如圖8所示。

圖8 粉盤快速輸出機構(gòu)

4.4 機器人單元

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

圖9 機器人單元

5 電氣控制系統(tǒng)

整個電氣控制系統(tǒng)由多個獨立運行的部分組成，包括粉料自動稱量控制系統(tǒng)、粉碗自動裝盤控制系統(tǒng)、粉盤快速輸出控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)、可編程序控制器（PLC）控制系統(tǒng)、上位機監(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程控制發(fā)展。隨著系統(tǒng)復雜性的提高，PLC正在走向運動控制和以工業(yè)總線技術(shù)為基礎的分散控制，這將是PLC技術(shù)發(fā)展的主要發(fā)展方向。PLC控制技術(shù)雖然面臨著來自其它自動化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，但同時也在吸收其它控制系統(tǒng)的優(yōu)點，互相融合，不斷創(chuàng)新，在工業(yè)各領域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應用。

基于工業(yè)機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)采用PLC進行控制，PLC通過串口和上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行連接。PLC的五個串口分別連接五套稱量模塊，通過模擬量輸入輸出模塊連接五套送料控制器，進而控制送料機構(gòu)的送料速度。分度盤、粉碗料庫、粉盤料庫、出料機構(gòu)均采用開關量進行控制。機器人和PLC通過Device Net總線進行連接。

進行粉料稱量控制時，PLC通過模擬量輸入輸出模塊控制送料控制器的速度，以調(diào)節(jié)送料機構(gòu)下料的速度。稱量模塊通過串口連接PLC，PLC通過串口讀取稱量模塊上料的數(shù)據(jù)，然后和設定值進行判斷比較，再通過控制模擬量模塊電壓的輸出來調(diào)節(jié)自動振粉系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC通過Device Net總線和機器人進行連接通信，PLC可以讀取機器人當前的狀態(tài)，并控制機器人去取粉盤、成品等。現(xiàn)場供電為交流380 V三相五線制，并配置供氣氣源，管徑根據(jù)實際需求設定，并增設一道氣路用于吹掃清理現(xiàn)場。

6 工作流程及故障處理方式

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

圖10 多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)工作流程

6.1 粉碗抓取流程

粉碗從料庫落下，分度盤旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進入一分位進行稱量。稱量完畢后，分度盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進入二分位通知機器人抓取。若后面一個粉碗稱量完畢，而三分位沒有粉碗，則分度盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，粉碗進入三分位并通知機器人抓取。機器人可以根據(jù)實際情況進行抓取。若一側(cè)的兩個分度盤三分位都有粉碗，則機器人一次性將兩個粉碗一起抓取。若一側(cè)的兩個分度盤三分位僅一個有粉碗，則機器人等待兩個分度盤三分位都有粉碗時一起抓取。若一側(cè)的兩個分度盤三分位都沒有粉碗，則機器人分別抓取兩個分度盤二分位的粉碗。粉碗抓取示意圖如圖11所示。

6.2 加料流程

每個粉料自動稱量機構(gòu)前方都加裝一個加料按鈕盒，按鈕盒由一個帶燈的綠色按鈕指示燈和一個黃色指示燈組成。正常運行時，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈滅。少料時，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈閃爍。料用盡時，綠色按鈕指示燈滅，黃色指示燈常亮。

圖11 粉碗抓取示意圖

當看見某個工位黃色指示燈閃爍或常亮時，表示該工位缺料或斷料，此時可以打開安全門進行加料。加料完畢后關上安全門，按下綠色按鈕指示燈完成加料。粉料自動稱量機構(gòu)缺料表示粉碗料庫缺料或振動輸送器缺粉，粉盤料庫工位缺料僅表示對應工位粉盤缺料。

6.3 粉盤料庫抓取流程

粉盤料庫分左右兩個，機器人一旦開始抓取某個料庫的粉盤，就會將該料庫的粉盤優(yōu)先抓取完畢后再換到另一個粉盤進行抓取。左右兩個粉盤料庫與左右兩組出料機構(gòu)對應，以便人工進行加料，與機器人互不干涉。

6.4 人機交互界面

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

圖12 人機交互界面

表1 人機交互界面按鈕功能

（1）手動模式。在手動模式下，可以有以下功能：① 手動單獨執(zhí)行某一個稱量設備，并顯示結(jié)果；②手動測試機器人夾爪；③ 手動初始化機器人；④手動操作托盤料庫上下移動。

（2）自動模式。只有在自動模式下，才可以正常啟動系統(tǒng)。

（3）初始化系統(tǒng)。用于檢測系統(tǒng)狀態(tài)、檢測機器人原點位置、復位氣缸與夾爪等。

（4）系統(tǒng)停止。按下系統(tǒng)停止按鈕后，機器人將該周期的四個粉碗和托盤放入出料機構(gòu)，然后系統(tǒng)停止運行。

（5）暫停和繼續(xù)。按下暫停按鈕，機器人在當前位置暫停，程序中斷。再按下繼續(xù)按鈕，機器人從中斷的位置繼續(xù)運行程序。

6.5 燈塔

系統(tǒng)借助燈塔對整體工作狀態(tài)進行顯示，具體包括紅、黃、綠三色指示燈與蜂鳴，見表2。

表2 燈塔顯示與對應工作狀態(tài)

7 結(jié)論

基于工業(yè)機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、界面友好、工作效率高，滿足各項指標要求，已通過航天工業(yè)工程驗收，并投入了實際生產(chǎn)，開拓了工業(yè)機器人在航天工業(yè)新能源柔性制造領域的應用。