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【摘要】

在中國制造2050和工業(yè)4.0“機器換人”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。本文在鉛蓄電池極板生產(chǎn)線中引入工業(yè)機器人，開發(fā)了一種極板搬運工作站，并進行了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，大大提電池極板生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化。

【關(guān)鍵詞】

工業(yè)機器人；電池極板；搬運工作站

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，如低速電動車、通訊設(shè)備儲能等都離不開鉛蓄電池，尤其是電動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)模化運作的企業(yè)主要還是依靠勞動力手工操作，特別是電池極板上下料搬運作業(yè)，其勞動工作強度大，員工搬運工作效率低下、同時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。在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)成為一種標準化的設(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、哈爾濱博實自動化有限公司等，在系統(tǒng)集成和核心零部件進行了相關(guān)的研究和突破，都有了相應(yīng)的進展。同時國內(nèi)也涌現(xiàn)了一大批以工業(yè)機器人集成技術(shù)為中心的公司，進行工業(yè)機器人的集成應(yīng)用，引進國外技術(shù)結(jié)合實際生產(chǎn)，為制造業(yè)、快消行業(yè)等服務(wù)工作。工業(yè)機器人是一種能模仿人工操作，可編程和自動控制的高端智能裝備，具有高自動化、柔性化，是中國實現(xiàn)工業(yè)4.0“機器換人”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)機器人，可以代替手工操作的同時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，機器人極板搬運工作站的研究對鉛蓄行業(yè)實現(xiàn)自動化及轉(zhuǎn)型升級具有重要的現(xiàn)實意義。

1機器人極板搬運工作站的設(shè)計

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

1.1工作站工作原理機器人極板搬運工作站由搬運機器人、電池極板輸送機、極板架和控制系統(tǒng)等組成。機器人工作站以工業(yè)機器人為工作核心，極板輸送機和極板架都在機器人工作空間內(nèi)，工作時，電池極板由極板輸送機運送至輸送機末端定位點，然后等待機器人抓取電池極板，機器人收到相應(yīng)的傳感器信號后，按照預先規(guī)劃的路徑到達極板位置，末端夾取執(zhí)行器夾手對其進行夾取，然后按照規(guī)劃軌跡搬運至極板架位置，將極板準確放置于極板架上，代替人工作業(yè)。

1.2工作站機器人選型衡量工業(yè)機器人的指標很多，有自由度、工作空間、定位精度及重復定位精度、承載能力及最大工作速度等。極板搬運工作站的機器人選型主要考慮以下幾個重要指標：（1）自由度指標，它是衡量機器人運動靈活程度的參數(shù)，是衡量機器人的重要指標，自由度越多，機器人越靈活，一般地工業(yè)機器人的自由度為3-6個。（2）工作空間指標，它指的是機器人的工作范圍，機器人腕部或者末端執(zhí)行器能達到的最大范圍，工作空間越大，機器人運動范圍越大。在運動控制中，注意機器人的極限位置，注意抓取位置和極限位置的考慮。（3）承載能力指標，機器人在工作范圍內(nèi)任何位置能承受最大的載荷，取決于負載的質(zhì)量、速度和加速度等，同時要考慮末端執(zhí)行器的質(zhì)量，故機器人承載能力是末端執(zhí)行器和機械手抓取負載的總和還要大。（4）定位精度指標，機器人實際位置與理想位置之間的偏差，同時重復定位精度是考驗一個機器人同一環(huán)境和條件下，重復若干次其分散的偏差值，機器人多次重復到相同位置的偏差越小，機器人的重復定位值越高。通過這幾個指標，極板搬運機器人工作站可以選擇工作空間大、承載能力強、定位精度高的6自由度工業(yè)機器人作為機器人工作的機器本體，設(shè)計相應(yīng)的安裝座，以它為中心來設(shè)計整個工作站的安裝控件。同時，6自由度的機器人具有較高的靈活性，方便完成極板的抓取和實現(xiàn)復雜路徑的軌跡規(guī)劃。

1.3末端執(zhí)行器的設(shè)計工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計一般是針對作用對象進行非標設(shè)計，它是機器人操作與目標對象直接接觸進行工作，是機器人的關(guān)鍵部件，它可以擴大工作空間范圍，提升工作作業(yè)能力具有非常重要的作用。有電磁式、氣動式、機械式等，其中機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驅(qū)動的平移型二指手抓對其進行抓取，采用氣動驅(qū)動具有響應(yīng)動作快，靈活，動力清潔等優(yōu)點，其平移范圍必須大于極板的橫向尺寸。

1.4電池極板輸送機電池極板輸送機由支架，輸送鏈、輸送槽、極板定位板等組成，其中輸送鏈安裝在機架的若干個鏈槽內(nèi)。工作時，三相異步電動機帶動主軸運動，然后鏈式傳送機構(gòu)對放置在其上面的電池極板進行傳送。采用鏈式傳動，啟動時電池極板運行平穩(wěn)，無打滑現(xiàn)象，其適用于遠距離運輸和惡劣環(huán)境等優(yōu)點。

2控制系統(tǒng)

機器人極板搬運工作站電氣控制系統(tǒng)主要的功能實現(xiàn)包括：①工業(yè)機器人示教、調(diào)試編程與自動運行等功能；②極板末端執(zhí)行器氣缸動作、傳感器的信號傳遞，實現(xiàn)抓取；③工業(yè)機器、PLC和人機界面交互和參數(shù)的設(shè)置；④整個極板搬運工作站的實現(xiàn)。

2.1極板工作站控制系統(tǒng)組成極板搬運工作站的控制系統(tǒng)包括：①PLC控制系統(tǒng)；②機器人控制系統(tǒng)；③示教器。其主要系統(tǒng)采用PLC為控制核心，機器人控制器的I/O信號模塊與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和極板末端執(zhí)行器信號也是通過PLC然后傳遞給機器人，進行信號的傳遞。工作時，搬運機器人按照人工示教好的程序正常運行，同時受PLC的控制。（1）機器人示教器，機器人編程有離線編程和示教編程，示教再現(xiàn)是機器人編程應(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)實踐，對工業(yè)機器人的動作位姿、工作路徑、運動參數(shù)和工藝參數(shù)進行調(diào)試，按照需要的任務(wù)要求完成機器人編程示教。整個編程過程中，機器人示教器是一個重要的編程設(shè)備，通過其對機器人進行控制。（2）機器人控制器其核心是多軸運動控制平臺，實現(xiàn)對多軸機器人的關(guān)節(jié)伺服控制，同時又相應(yīng)的機器人專用端口和機器人通用端口和PLC進行信息傳遞，同時設(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，將機器人控制柜、傳感系統(tǒng)、人機界面進行集成控制，整個搬運系統(tǒng)的實現(xiàn)主要依賴PLC的邏輯控制的調(diào)試與實現(xiàn)，具有非常重要的作用。

2.2控制軟件設(shè)計機器人工作站的控制軟件設(shè)計以PLC為中心實現(xiàn)。根據(jù)搬運工作站的工作原理，首先采用示教器對機器人進行軌跡路徑規(guī)劃，考慮機器人在搬運極板時所需的運動學和動力學性能，以最舒服的姿態(tài)來進行工作。將機器人進行軌跡示教完成以后，再根據(jù)機器人抓取執(zhí)行器極板準備、極板到位、進行抓取、機器人進行搬運到極板架放置，放置結(jié)束后重新循環(huán)開始的整個過程，然后進行程序的設(shè)計和實現(xiàn)。整個系統(tǒng)程序的設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、手動運行、自動運行、信號顯示系統(tǒng)和系統(tǒng)復位。（1）系統(tǒng)初始化：當整個控制系統(tǒng)開機時，按一下初始化按鈕，機器人搬運工作站所有的執(zhí)行動作按照一定的先后順序恢復到預先的原始位置，使機器人工作站處于準備運行狀態(tài)，隨時準備開始工作。（2）手動運行：機器人單機示教軌跡路徑，完成路徑的最佳規(guī)劃，手動運行是用來對整個機器人各個功能塊進行調(diào)試時的狀態(tài)。通過手動運行模塊，可以調(diào)試抓取執(zhí)行器的開合動作，以此來進行極板的抓取力度調(diào)節(jié)。同時也可以實現(xiàn)抓取后整機聯(lián)合運行調(diào)試操作，讓機器人、末端執(zhí)行器和極板輸送架達到最佳狀態(tài)。（3）自動運行：自動運行狀態(tài)是整機連續(xù)工作狀態(tài)，一旦參數(shù)都設(shè)置好后，正常情況下進入自動運行狀態(tài)，搬運工業(yè)機器人能自動完成電池極板的抓取，搬運、放置循環(huán)工作，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，可以通過按鈕或者觸摸屏上的啟動開始，接受停止指令后停止。其程序的設(shè)計可以采用步進順序控制，按照一定的生產(chǎn)流程來實現(xiàn)工業(yè)機器人極板的搬運工作。（4）信號顯示系統(tǒng)和復位系統(tǒng)：通過信號顯示可以觀察系統(tǒng)的運行情況，可以觀察其各功能狀態(tài)，通過信號顯示來判斷程序運行的進度、狀態(tài)以及極板的搬運數(shù)量。同時一旦出現(xiàn)故障，可以通過報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，并且可以通過相應(yīng)的復位系統(tǒng)進行復位。

2.3人機界面設(shè)計人機界面的設(shè)計，主要通過觸摸屏和組態(tài)來實現(xiàn)搬運機器人控制系統(tǒng)和人的人機交互，通過信息的交流來實現(xiàn)人對搬運機器人的控制。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，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、停止、循環(huán)、單機及數(shù)等功能，同時可以制作相應(yīng)效果更好的系統(tǒng)界面。本文選取昆侖通態(tài)的觸摸屏為人機交互界面，同時通過昆侖的MCGS組態(tài)軟件集成實現(xiàn)機器人工作站的控制要求，根據(jù)機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，同時制作組態(tài)畫面來顯示狀態(tài)信號和一系列的人機操作等。人機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，在機器人搬運工作中方便靈活。

3總結(jié)

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

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作者：王哲祿 單位：溫州職業(yè)技術(shù)學院電氣電子工程系