王哲祿

【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

Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot

WANG Zhe-lu

（Department of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou Zhejiang 325035， China）

【Abstract】Under the“Made in China 2025” and “Industry 4.0”， China industry is changing from manufacturing to intelligent manufacturing.In this paper， the industrial robot is introduced into the plate production line， meanwhile a kind of plate handing workstation is developed. The design of PLC control system is carried out in the workstation. The robot workstation greatly improves the production efficiency of the battery plate and realizes automation.

【Key words】Implementation robot； Based plate； Moving station

0 引言

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)?；\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(fù)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(yù)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(fù)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(fù)定位精度是考驗一個機器人同一環(huán)境和條件下，重復(fù)若干次其分散的偏差值，機器人多次重復(fù)到相同位置的偏差越小，機器人的重復(fù)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(fù)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??；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(fù)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(fù)到預(yù)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(fù)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(fù)位系統(tǒng)進行復(fù)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。

【參考文獻】

[1]王貴民，馬曉建，趙信正.蓄電池生產(chǎn)線極板上料裝置[J].輕工機械，2014，3（32）：47-50.

[2]王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展技化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學報，2014，9（50）：1-13.

[3]顧震宇.全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機電一體化，2006，2：6-9.

[4]陳立新，郭文彥.工業(yè)機器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].機械工程與自動化，2010，3：133-135.

[5]王海霞，李志宏，吳清鋒.工業(yè)機器人在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].機電工程技術(shù)，2015，10（44）：112-114.

[責任編輯：王楠]