動力電芯上線搬運機器人的設計

王大治，石 剛，李永慶

（中國科學院沈陽自動化研究所 工業控制網絡與系統研究室，沈陽 110016）

0 引言

動力電池組作為新能源汽車的核心部件，從成本構成上來說大概占據汽車總成本的三分之一左右。我國動力電池組生產線基本是采用半自動+手動方式，導致一次性產品合格率始終不能進一步提高，因此動力電池組的成本和產品合格率嚴重制約著新能源汽車的發展和推廣。設計研發動力電池組自動化裝配生產線有助于提高動力電池組的生產效率和產品合格率，從而有效的降低動力電池組的成本及企業的人工成本。

搬運機器人作為生產線中不可或缺的一部分，發揮著極其重要的作用，大致可分為直角坐標型，極坐標型，圓柱坐標型以及多關節型[1]，本文即是根據動力電池組自動化生產線中對電芯上線的要求設計完成的一種直角坐標型搬運機器人。機器人的控制系統通過伺服驅動器實現對伺服電機的控制，并實現對搬運機器人抓放位置的精確控制，同時通過應用氣動抓取機構具有的結構簡單、動作迅速等特點來實現電芯快速、精準的上線工藝流程。

1 搬運機器人的整體結構設計

搬運機器人主要功能是從電芯儲存料框中抓取兩個電芯并將其搬運放置于輸送線體轉運托盤上的定位卡槽中，搬運機器人的結構與電芯儲存料框、輸送線體空間布局如圖1所示。搬運機器人的機械結構主要由抓取機構、移動機構及支架三部分構成。抓取機構采用氣動機械手爪實現抓取動作，具有結構簡單、節能環保等優點。移動機構是基于直線運動單元組成的X、Y、Z三軸移動機構，X軸和Y軸是水平面內的運動軸，Z軸是上下運動軸，抓取機構即安裝于Z軸上。支架主要由鋁合金型材及連接件構成并起支撐作用，支架安裝時需打地腳固定在水平地面上，以此增加整個系統運動的安全性。

圖1 搬運機器人結構圖

1.1 抓取機構的設計

搬運機器人抓取機構以氣動作為驅動力來實現對電芯的抓取，主要由寬型氣爪1、氣爪2、夾爪手指3、夾爪手指防護板4、方形法蘭5、L型法蘭6等組成。由于動力電芯存在中間鼓包現象，因此夾爪手指形狀進行了優化設計并采取了防護措施，搬運機器人抓取機構如圖2所示。由于電芯間的中心距由電芯儲存料框中的80mm增加到轉運托盤定位卡槽中的140mm，因此設計抓取機構的工作原理是抓取電芯時，寬型氣爪1合攏，氣爪2打開并同時抓取2個電芯，當機器人抓取電芯移動到輸送線體轉運托盤定位卡槽上方100mm時寬型氣爪2打開并垂直下降至電芯放置于定位卡槽時，氣爪2打開放下電芯，完成搬運機器人抓取機構的動作流程。

圖2 抓取機構結構圖

1.2 移動機構的設計

搬運機器人移動機構主要由直線運動單元、驅動部分、傳動部分等構成的X、Y、Z三軸框架式機構，其中每一軸都包括直線運動單元、驅動電機及減速機。直線運動單元具有高可靠性、高速度和高精度的特點且可用于惡劣的工作環境，可長時間連續工作，操作維修方便[2]。常用的直線運動單元主要有：絲杠螺母副，齒輪齒條副，同步齒型帶等[3]。由于抓取對象動力電芯的質量為1kg，因此綜合考慮精度、運動范圍、經濟成本等因素選取同步齒形帶型直線運動單元，其主要由支撐載體的鋁型材和被安裝在型材內部的直線導軌、運動滑塊以及帶動滑塊做高速運動的同步帶組成[4]。直線運動單元的傳動主要是通過驅動電機的轉動帶動同步齒形帶運動，從而帶動滑塊運動。

移動機構的水平方向（X軸、Y軸方向）采用龍門式結構[5]，為抓取機構提供了足夠的運動空間且能承受較大的載荷。X軸由伺服電機驅動兩個通過傳動軸連接的直線運動單元來實現運動，其運動方向與輸送線體轉運托盤運動方向一致；Y軸直線運動單元安裝于X軸兩個直線運動單元的運動滑塊上，由伺服電機帶動減速機驅動來實現運動；而豎直方向（Z軸）的直線運動單元安裝于Y軸直線運動單元的運動滑塊上，由具有斷電自鎖功能的抱閘型伺服電機帶動減速機驅動來實現運動。

2 控制系統總體設計

控制系統的總體框架結構如圖3所示，通過西門子Portal軟件編寫系統控制程序并下載到PLC中，PLC通過控制伺服驅動器實現對伺服電機的控制，進而實現對搬運機器人的運動進行控制[6]。

人機交互界面（HMI）用于實現機器人的實時狀態信息以及運動信息的顯示，同時實現對搬運機器人的運動進行試教以及手自動控制功能。

工控機主要實現搬運機器人系統的編程、下載以及在線調試功能。

傳感器與執行器主要用于實現對物料及機器人本身的位置檢測功能并實現預定動作流程。

圖3 控制系統總體框架結構圖

2.1 控制系統硬件設計

工業上為保證自動化生產線能夠運行穩定、高效、安全，總線控制系統以及各個工位專機控制系統普遍采用PLC控制器來實現控制功能。目前市場上應用比較廣泛的PLC控制器主要有德系、美系以及日系等產品，本設計采用德系西門子1200系列PLC控制器作為搬運機器人的主控制器，該PLC具有較強的運動控制、數據處理以及抗干擾等能力。

控制系統硬件結構如圖4所示，PLC控制器作為核心部件，主要完成系統的整體邏輯控制、任務調度以及執行控制、限位開關以及原點傳感器的檢測控制、電磁閥以及氣缸等執行元件的執行控制、伺服驅動器的執行控制、人機交互界面的通信與控制等功能。

X、Y、Z軸伺服驅動器用以接收PLC控制器的實時控制指令，進而完成相關運動控制的任務以及細節，包括脈沖以及方向的輸出、加速度以及減速度的控制、伺服電機的通信配置與邏輯控制、伺服電機的速度以及方向的運動反饋等。

原點傳感器與限位開關主要完成位置的精確定位，輔助實現系統精確定位與運動控制。

料件檢測傳感器主要實現上下料的物件檢測，輔助實現機器人系統的啟動運行與邏輯控制上料功能。

電磁閥與氣缸等啟動執行元件，具體實現物料的抓取、翻轉、下料以及料框的運行功能的執行。

圖4 控制系統硬件結構圖

2.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計基于Portal平臺進行開發，采用模塊化的編程思想進行設計。軟件系統由主程序MAIN模塊、初始化模塊、原點控制模塊、校點數據控制模塊、自動數據控制模塊、模擬控制模塊、ABS控制模塊、系統啟停控制模塊、速度控制模塊、自動運行模塊、手動控制模塊等模塊部分組成，控制系統軟件結構圖如圖5所示。

圖5 控制系統軟件結構圖

主程序MAIN模塊為主線程對所有軟件模塊、系統函數塊以及數據塊進行調用，完整的實現機器人高效的任務調度以及精準的目標抓取與運行，完成生產線系統分配的任務。

初始化模塊完成機器人系統各個軸組的使能、停止、復位以及當前位置數據采集等功能模塊的調度以及優化處理。

原點控制模塊完成了機器人系統歸零點的任務調度以及精確的路徑規劃。

校點數據控制模塊完成各個試教點位置的讀取以及定位后的錄入，確保機器人上下料功能正常有序、精準完成。

自動數據控制模塊完成機器人系統物料傳感器實時采集功能與系統自動運行功能的無縫連接，實現物料優化調度與精確抓取。

模擬控制模塊主要完成機器人簡潔優化的試教功能，免除繁瑣的調度任務。

ABS控制模塊實現機器人Z軸的運動抱死功能的合理控制。

系統啟停控制模塊實現機器人系統的開機、暫停以及關機功能。

速度控制模塊完成機器人軸組間精確而協同的速度控制算法的優化設計，實現機器人系統各個軸組之間的速度匹配與優化處理。

自動運行控制模塊作為機器人系統的核心子模塊，配合主任務實現機器人系統任務的優化調度功能，包括系統的路徑規劃與優化、軸組速度的二次優化、機器人軸組執行機構的優化調度以及現場執行器的優化處理。

手動控制模塊主要完成機器人的手動調試功能以及系統故障處理功能等。

3 HMI軟件系統設計

HMI軟件系統基于KincoHMIware平臺開發設計，用于實現機器人的實時狀態信息以及運動信息的顯示，同時實現對機器人的運動試教以及手自動控制功能。HMI軟件系統設計框圖如圖6所示。

圖6 HMI軟件系統設計框圖

HMI軟件系統設計主要包括原點畫面、手動畫面、自動畫面以及參數畫面的設計。手持示教器與PLC通過MODBUS總線通信，實現數據的實時傳輸與機器人的精確配置與控制。

原點畫面操作用于在伺服無報警且限位正常時，實現機器人的歸原點操作，為機器人確定一個物理基準點；手動畫面實現現場機器人調試、試教以及故障處理等操作功能；自動畫面實現機器人自動運行配置功能、模式配置功能以及狀態顯示功能，機器人HMI自動畫面設計如圖7所示。參數畫面完成機器人試教點的錄入功能以及機器人的模擬運行功能。

圖7 HMI自動畫面設計

4 結語

本文針對動力電池組自動化裝配生產線需要實現電芯自動上料的需求，設計了3自由度直角坐標型搬運機器人。機器人的控制系統以PLC為核心，通過控制伺服驅動器來實現機器人的精確運動，再利用氣動機械手的抓取動作完成電芯的自動上料流程。同時以觸摸屏作為人機交互界面，實現了機器人的手自動控制功能。搬運機器人在企業生產現場的實物如圖8所示，投入到企業的實際生產過程后，提高了整條生產線的生產效率、產品合格率及自動化程度，滿足了電池生產企業現代化生產需求，具有良好的應用前景。

圖8 搬運機器人現場實物