基于激光線(xiàn)掃傳感器鋰電池動(dòng)態(tài)涂膠系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

饒建紅，鄔榮飛，楊慶華

(東莞市李群自動(dòng)化技術(shù)有限公司，東莞 523808)

0 引言

電池主要由5大部分組成：正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼。因生產(chǎn)工藝和外包裝的不同，鋰電池可以呈現(xiàn)多種外觀形態(tài)，常見(jiàn)的外觀形態(tài)有圓柱形、方形和軟包裝。按電池卷芯結(jié)構(gòu)不同可分為卷繞式和疊片式，根據(jù)客戶(hù)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(jié)構(gòu)電芯進(jìn)行電池裝配[1]。方形電池和軟包裝電池在進(jìn)行模組組裝時(shí)需要先進(jìn)行電芯涂膠，如圖1所示：一般的做法是先通過(guò)3D相機(jī)獲取電池的外形輪廓，然后再用直線(xiàn)電機(jī)或者是機(jī)器人進(jìn)行涂膠。

圖1 電池樣品外觀示意圖

針對(duì)鋰電池涂膠工藝研究，提出了一種基于基恩士激光線(xiàn)掃LJ-V7060動(dòng)態(tài)鋰電池涂膠方案，將LJ-V7060線(xiàn)掃槍頭裝在機(jī)器人的末端，點(diǎn)膠頭放在線(xiàn)掃槍頭的后面，兩者相差一定的距離，距離小于電池的長(zhǎng)邊，線(xiàn)掃槍頭預(yù)先掃描電池的一部分輪廓，然后位于槍頭后面的膠頭進(jìn)行涂膠，一邊掃描一邊涂膠，提高涂膠的效率。在本方案中，機(jī)器人用的是東莞市李群自動(dòng)化的SCARA機(jī)器人，型號(hào)為AH5020。

1 LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)及內(nèi)參外參標(biāo)定

1.1 LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)

電池的邊緣會(huì)存在卷起或 皺的情況，因此需要?jiǎng)討B(tài)獲取xyz三維度數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)要求的精度為60μm以及電池尺寸，因此選用LJ-V7060能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求，圖2是LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)。

圖2 LJ-V7060技術(shù)參數(shù)

1.2 內(nèi)參標(biāo)定

線(xiàn)掃傳感器的工作截面為一個(gè)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(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)真實(shí)x方向上長(zhǎng)度的比例因子是不一致的，需要進(jìn)行標(biāo)定和畸變校正。

圖3 傳感器的工作截面示意圖

對(duì)于有些廠商的傳感器如基恩士，出廠時(shí)已作內(nèi)參標(biāo)定，而有些廠商的傳感器需要用戶(hù)自己做內(nèi)參標(biāo)定。畸變校正的公式如式(1)所示：

L——物體在x方向的真實(shí)長(zhǎng)度；

Points——傳感器掃描到的長(zhǎng)度（點(diǎn)的個(gè)數(shù)）；

制作一個(gè)立方體標(biāo)定塊，標(biāo)定塊的長(zhǎng)寬高尺寸已知，標(biāo)定塊的尺寸精度影響到內(nèi)參的標(biāo)定精度。圖4為標(biāo)定原理圖，標(biāo)定時(shí)已知，需要求解實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)可以得出物體的x方向的真實(shí)長(zhǎng)度L。

圖4 標(biāo)定原理圖

1.3 外參標(biāo)定

外參標(biāo)定分為間接標(biāo)定方法和直接標(biāo)定方法。

1.3.1 間接標(biāo)定

由于激光線(xiàn)掃傳感器每次發(fā)出的是一條藍(lán)色的線(xiàn)，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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為800個(gè)，數(shù)據(jù)間隔為0.02mm，也就是傳感器x方向的精度。可以通過(guò)工具坐標(biāo)標(biāo)定的方式來(lái)得到線(xiàn)掃傳感器上的800個(gè)點(diǎn)與機(jī)器人的法蘭中心的位置偏差[2]。

圖5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

Prs——傳感器在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)；

Pre——機(jī)器人法蘭中心點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)；

Pes——傳感器相對(duì)于機(jī)器人法蘭中心點(diǎn)的偏移位置。

假設(shè)傳感器下有一點(diǎn)P，如果知道該點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的傳感器x方向的坐標(biāo)，然后知道該傳感器所對(duì)應(yīng)的x坐標(biāo)點(diǎn)與法蘭之間的位置偏移，同時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)器人的法蘭位置，那么就可以得到傳感器下的點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的機(jī)器人坐標(biāo)。

機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定較常用的方法為最小二乘法擬合算法[3]，利用3點(diǎn)或3點(diǎn)以上的點(diǎn)進(jìn)行擬合得到機(jī)器人TCP位置，如果是6軸機(jī)器人，還需要得到TCF坐標(biāo)。

1.3.2 直接標(biāo)定

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

假設(shè)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(biāo)定方法，標(biāo)定時(shí)候需要加工制作一塊高精度標(biāo)定板，設(shè)計(jì)為一塊標(biāo)定板中心有一個(gè)直徑為10mm的圓柱，圓柱的高度不超過(guò)線(xiàn)掃傳感器的量程（-8mm～8mm），在本設(shè)計(jì)中圓柱的高度為5mm。標(biāo)定板加工尺寸的精度要求不低于0.02mm，同時(shí)在進(jìn)行機(jī)器人與傳感器的標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定板固定在平臺(tái)上且需要調(diào)水平，水平度要求不低于0.02mm。如圖6所示。

圖6 標(biāo)定板

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)平臺(tái)示意圖

圖8 機(jī)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(gè)出膠針頭，要保證點(diǎn)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(diǎn)，機(jī)械設(shè)計(jì)通過(guò)夾具上的同心孔保證；兩膠頭間的距離根據(jù)點(diǎn)膠工藝控制在0.5mm，通過(guò)制作0.5mm厚的標(biāo)準(zhǔn)塊去校對(duì)。

2）機(jī)架下方安裝標(biāo)定相機(jī)及鏡頭，安裝高度保證可調(diào)節(jié)到物距，具體參數(shù)后面相機(jī)選型會(huì)提及，由于點(diǎn)膠頭的工具坐標(biāo)標(biāo)定采用的鏡頭是遠(yuǎn)心鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭無(wú)法調(diào)焦，所以相機(jī)的安裝考慮旋鈕微調(diào)高度、螺釘遠(yuǎn)調(diào)的結(jié)構(gòu)。

3）電池承載裝置，平面與機(jī)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(shè)計(jì)是一方面固化UV膠，另一方面升降可以避免與機(jī)器人夾具干涉。

2.2 軟件方案設(shè)計(jì)

圖10是系統(tǒng)交互框架圖，軟件系統(tǒng)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)分別于激光線(xiàn)掃控制器和機(jī)器人控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，上位機(jī)從激光線(xiàn)掃控制器讀取電池3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，機(jī)器人負(fù)責(zé)控制DO信號(hào)觸發(fā)激光線(xiàn)掃控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并按照上位機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并控制點(diǎn)膠閥進(jìn)行涂膠。

圖10 系統(tǒng)交互框架圖

圖11 數(shù)據(jù)采集流程

圖12 數(shù)據(jù)處理流程

圖13 邊緣提取流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖14是機(jī)器人線(xiàn)速度在20mm/s下的點(diǎn)膠示意圖，如果要達(dá)到出膠均勻，需要控制器機(jī)器人末端的速度以達(dá)到勻速狀態(tài)，另外出膠的速度需要與機(jī)器人速度進(jìn)行匹配，如果機(jī)器人速度比出膠的速度快，在某些位置會(huì)出現(xiàn)斷膠，如果機(jī)器人速度比出膠的速度慢，將會(huì)出現(xiàn)膠水過(guò)多的情形，實(shí)際過(guò)程中需要不斷調(diào)整出膠閥以及機(jī)器人速度。

圖14 實(shí)際點(diǎn)膠效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文中提出一種新型的 電池動(dòng)態(tài)涂膠方案，介紹了激光線(xiàn)掃傳感器內(nèi)參外參標(biāo)定原理及方法、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)方案。激光線(xiàn)掃和點(diǎn)膠頭都安裝在機(jī)器人末端，激光線(xiàn)掃與點(diǎn)膠頭錯(cuò)開(kāi)一段距離，激光線(xiàn)掃提前掃描獲取一部分的電池輪廓數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理生成機(jī)器人軌跡，機(jī)器人在涂膠的同時(shí)激光線(xiàn)掃同時(shí)采集下一部分電池輪廓數(shù)據(jù)，這樣就達(dá)到了邊采集變涂膠的功能，通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)該方案得到實(shí)際涂膠效果良好，初步滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用需求。