動力鋰電池組生產線機械手控制系統設計分析

楊 洋

(東莞市機電工程學會，廣東 東莞 523000)

1 系統硬件平臺

1.1 系統功能需求與器件選型

機械手工作內容如下：利用伺服電機帶動機械手復位，明確運動基準位置，機械手運動至物料位置，抓取電池層組，移動至傳送帶電池位置。利用反射激光傳感器，準確搜索鋰電池層組，同時對電池組裝配位置進行定位。裝配機械手具備多項運動功能，包含位置控制模塊、氣動抓取模塊。通過位置模塊，可以準確定位端蓋與層組。氣動模塊，可以抓取動力鋰電池端蓋與層組。在裝配機械手系統中，能夠對機械手運動位置限位開關進行判斷，通過激光傳感器定位檢測鋰電池層組，同時對電磁閥氣缸抓取裝置進行控制[1]。

1.2 機械手運動控制器設計

運動控制器，是運動控制系統核心。按照不同控制器框架，可以劃分為3大類：專用芯片核心、單片機核心、PC+運動控制器。為了滿足裝配機械手控制要求，應用主控芯片、運動控制芯片，優化設計機械手控制器，通過總線技術實現數據交換。控制器利用嵌入中央處理器、運行控制芯片，去除外圍設備，降低開發成本，不僅可以利用上位機實現運行控制，還可以確保上位機運行獨立性。裝配機械手控制系統，能夠對三軸伺服電機進行控制。按照伺服電機驅動器、控制系統需求，利用總線技術，統一管理生產系統，同時設計總線通信接口。所以，系統設計應用運動控制器。

1.3 械手驅動執行系統

驅動電機。在系統設計中，伺服電機可以實現各軸往復運動，搜索動力電池層組。生產線裝配期間，機械手三軸伺服電機，需要多次啟停操作。應用交流伺服電機，能夠提升速度響應頻率，實現自動調節增益、調諧等。

驅動器。系統應用交流伺服驅動器，涉及到速度控制、位置控制、轉矩控制。其中，位置控制利用外部脈沖頻率，對電機轉速大小進行控制。發送脈沖數量，對電機轉動角位移量進行控制，多應用到定位裝置中。

2 裝配機械手控制系統設計

2.1 運動控制器設計

(1)核心板最小系統設計：核心板最小系統，涉及到晶振電路、復位電路等。(2)電源模塊設計：在控制系統中，電源電路屬于重要組成。電源穩定性，對主控電路可靠性影響非常大。在控制系統中，應用直流電壓供電方式，器件、運動控制芯片，供電電壓為3.2V。單獨直流電源(5V)與電源(3V)共地，能夠為液晶顯示模塊提供電源。為了降低電源噪聲影響，添加電源濾波電路。(3)端口電路設計：使用JTAG專用調試接口，以仿真調試電路為標準，優化設計接口電路。(4)通信模塊設計：調試程序時，需要與PC通信，優化設計串行接口，和PC機異步通信。為了兼容PC機通用串口，需要將TTL電平，轉變為RS232電平。生產線上位機、下位機數據通信，可以應用現場總線技術，能夠實現分布控制、實時控制，滿足分布并行式系統要求。(5)運動控制模塊設計：運動控制模塊，采用PCL控制器，提供多種脈沖控制功能，對電機運行狀態予以控制。控制功能涉及到勻速回零、定位、供給、加減速等。PCL控制器能夠對多軸運動進行控制，向中央處理器傳達控制器運行狀態，同時實現中斷輸出。(6)轉接板設計：外接板可以引出各軸限位信號、脈沖、IO信號等，將外部設備、用戶連接在一起。設計四軸接口電路，單獨列出各軸IO信號，便于用戶連接。

2.2 應用程序設計

(1)升降速控制。在運動控制器設計中，合理設置加減速參數，使其運行在寄存器內，合理設置速度曲線，對應寄存器如圖1所示。

圖1 寄存器設置與速度曲線關系

(2)位置運行控制。利用模式操作寄存器0-6位，有效指導操作模式。針對連續運行模式，將寄存器設置為00H，電機處于連續運行狀態。輸入啟動指令后，遵循預設方向運行，利用寄存器設定，直到寫入減速指令。對于定長運動模式，該模式涉及到相對定長、絕對定長。合理設置寄存器為41H，將位置計數器作為參考，科學指定絕對位置。將數值寫入寄存器中，合理設置運動方向與距離，實現相對定長。(3)插補運動控制。快速裝配生產線，縮短裝配時間。按照生產線實況，合理應用X、Y軸聯動方式插補。插補是按照運動起始點、進給速度、軌跡輪廓，遵循控制系統脈沖當量，細化運動輪廓軌跡。系統插補功能會受到插補精度、速度指標影響。(4)回原點程序設計。在運動控制系統中，原點運行控制非常重要，為回零控制。原點定位精度，對裝配機械手定位影響較大。在系統運行中，將霍爾傳感器安裝在機械手軸上，對機械手運動原點信號、限位信號進行檢測。在各軸上安裝傳感器感應片，控制器接收電壓信號，掌握寄存器狀態，對機械手回原點位置進行判斷。通過單方向，對機械手回零進行控制。(5)工作流程設計。在裝配生產線上，涉及20個工位，有10個為自動化工位。層組機械手，可以完成層組裝配，機械手均為層組安裝，只是數量不同。對于端蓋機械手，重點裝配水箱底端蓋、PCB板、水箱前端蓋、電池組前端蓋。各工位機械手運動過程一致性。在生產線上，轉運工位為最后工序，能夠將動力鋰電池組搬運至老化試驗臺，做好動力電池組充放電試驗。機械手運動控制流程，以分支控制程序為主。

2.3 系統調試

利用現場總線技術，對生產線系統進行聯調，注重測試控制流程。在程序內部，注釋機械手控制程序，挑選10個工位進行通信，測試其與上位機通信可靠性。編寫完整程序，查看機械手是否通過現場總線控制，實現工位裝配動作指導。在系統聯調時，注重觀察機械手異常情況，包括抓取失敗、硬件限位、搜索失敗等。

3 結語

綜上所述，本文重點介紹生產線機械手控制系統，討論系統設計問題，全面提升動力鋰電池組生產效率，確保其滿足用戶生產需求。通過模糊控制、激光傳感器，能夠準確定位機械手。按照機械手控制需求，編寫軟件程序，優化設計現場總線通信協議，利用現場總線技術，確保上位機監測和控制機械手。