電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王俊杰，張　偉，金杰峰，樓向明，葉利峰

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，杭州　310018；2.杭州娃哈哈研究院，杭州　310009)

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電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王俊杰1，張偉1，金杰峰2，樓向明2，葉利峰2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，杭州310018；2.杭州娃哈哈研究院，杭州310009)

摘要：針對(duì)目前電動(dòng)汽車電池裝箱行業(yè)以人工為主、效率低下的現(xiàn)象，文章設(shè)計(jì)了一套以SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，采用西門(mén)子MP277觸摸屏作為人機(jī)交互工具的電動(dòng)汽車電池裝箱線控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件及軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用WinCC flexible組態(tài)了人機(jī)界面。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了底托供給、電芯裝配、電芯組裝箱等控制功能。實(shí)際應(yīng)用效果證明該系統(tǒng)高效、可靠、易于操作，滿足了實(shí)際生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：電池裝箱；SIMOTION ；控制系統(tǒng)；人機(jī)界面

0引言

所謂裝箱生產(chǎn)線就是一種將無(wú)包裝的產(chǎn)品或者小包裝的產(chǎn)品半自動(dòng)或者自動(dòng)裝入運(yùn)輸包裝的物流加工線[1]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車電池裝箱主要由人工完成，然而人工裝箱工作繁重、效率低下，且人工成本高[2]。電動(dòng)汽車電池裝配行業(yè)沒(méi)有配套的裝箱設(shè)備，自動(dòng)化程度比較低。因此，緊緊抓住電動(dòng)汽車電池裝配業(yè)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化物流生產(chǎn)線的迫切需求，在國(guó)外機(jī)器人產(chǎn)品侵入之前，抓住機(jī)遇，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的高性能、低成本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品和自動(dòng)化物流生產(chǎn)線，具有廣闊的市場(chǎng)空間，對(duì)我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也有重要意義。

文章介紹的是一套基于SIMOTION控制的電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)115×41×239mm(長(zhǎng)×寬×高)電芯的裝填。首先根據(jù)具體工藝過(guò)程分析出控制要求制定出整體的控制系統(tǒng)框架。其次，使用西門(mén)子STEP7對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)并在SIMOTION SCOUT平臺(tái)上編寫(xiě)系統(tǒng)控制程序。然后使用WinCC Flexible完成對(duì)人機(jī)界面的組態(tài)。最后完成調(diào)試運(yùn)行工作。

1控制系統(tǒng)總體方案

電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線主要由底托供給、電芯供給、電箱供給、底托裝填和電箱裝填等部分組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。總體方案原理圖參見(jiàn)圖2。

系統(tǒng)的總體控制要求為：①底座供給裝置中的底托由人工上料完成。當(dāng)?shù)淄休斎牍怆妭鞲衅鏖L(zhǎng)時(shí)間未檢測(cè)到底托信號(hào)，底托釋放氣缸打開(kāi)，供給裝置釋放區(qū)的底托落入皮帶輸送帶，然后底托釋放氣缸關(guān)閉；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，底托存儲(chǔ)氣缸打開(kāi)，供給裝置存儲(chǔ)區(qū)的底托下落一層，然后底托存儲(chǔ)氣缸關(guān)閉。②皮帶輸送帶上的底托按順序依次進(jìn)入底托定位輸送帶，完成底托定位；若有電芯和電箱輸入時(shí)，電芯和電箱也完成定位動(dòng)作。③當(dāng)?shù)淄卸ㄎ煌瓿珊螅瑱C(jī)器人驅(qū)動(dòng)抓手運(yùn)動(dòng)至定位電芯上方；如果電芯定位完成，則抓手下伸執(zhí)行電芯抓取；待電芯抓取完成后，電芯定位裝置松開(kāi)，機(jī)器人執(zhí)行電芯裝配動(dòng)作，同時(shí)下一塊電芯完成定位。循環(huán)執(zhí)行上述動(dòng)作，直到完成所有槽位的電芯裝配。④待底托完成所有位置的電芯裝配后，底托定位裝置松開(kāi)且輸送帶啟動(dòng)，電芯組輸出同時(shí)下一底托進(jìn)入。⑤當(dāng)傳感器檢測(cè)到電芯組輸入，電芯組轉(zhuǎn)移氣缸推出，將電芯組推入電芯組定位輸送帶，完成電芯組定位；當(dāng)電芯組定位完成后，電缸抓手執(zhí)行電芯組裝箱動(dòng)作，將電芯組裝入相應(yīng)的電箱槽位；待電芯組裝配完成后，電缸抓手回到抓取位置，抓取下一托電芯組。循環(huán)執(zhí)行上述動(dòng)作，直到完成所有槽位的電芯組裝配。⑥待電箱完成所有位置的電芯組裝配后，電箱定位裝置松開(kāi)，輸送帶啟動(dòng)，電箱輸出。

圖1　電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線總體方案原理圖

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

SIMOTION 是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的 PLC 和伺服驅(qū)動(dòng)器集成在一起，可以獨(dú)立完成PLC加電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的所有功能，主要應(yīng)用于控制要求復(fù)雜，控制速度快，要求精確運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域中[3-5]。如圖3所示本控制系統(tǒng)選用集成在SINAMICS S120[6]驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的SIMOTION D435作為控制器。SIMOTION D435和電機(jī)模塊之間通過(guò) Drive-CliQ 接口連接，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換[7-8]。伺服電機(jī)選用了3臺(tái)1FT7082-1AF71-1FH1和1臺(tái)1FK7034-5AK71-1LA3，用于Delta 3D機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，完成電芯裝配操作；基于費(fèi)斯托CMMP-AS伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的二自由度電缸選用了1個(gè)EMMS-AS-100-M-RS和1個(gè)EMMS-AS-100-M-RSB，通過(guò)Profibus 總線與SIMOTION D435連接，用于完成電芯組裝箱操作。另外選用了4臺(tái)由丹佛斯VLT2800變頻器驅(qū)動(dòng)的變頻電機(jī)用于控制各段定位傳送帶，以及選用了3臺(tái)由接觸器控制啟停的三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯、底托和電箱傳動(dòng)帶的驅(qū)動(dòng)。

觸摸屏為 Multi Panel 277 touch，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口與SIMOTION D435 通訊，用于狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)調(diào)試。

分布式I/O 模塊ET200M作為SIMOTION的從站，擴(kuò)充了SIMOTION系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，可充分發(fā)揮 SIMOTION D 的邏輯控制功能并通過(guò)Profibus DP總線與SIMOTION D相連接。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)中需要的數(shù)字量輸入共有78個(gè)，數(shù)字量輸出有40個(gè)，無(wú)模擬量輸入輸出。考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充加上15%～20%的備用量。因此ET200M中選用了3個(gè)SM321-32DI模塊和2個(gè)SM322-32DO模塊。根據(jù)控制要求將I/O模塊的地址分配給電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線上的傳感器和執(zhí)行器。地址分配如表1和表2所示。

圖3　電池裝箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸入功能輸入功能I0.0～I(xiàn)0.1急停信號(hào),安全門(mén)信號(hào)I6.2～I(xiàn)6.3電芯抓手夾緊、松開(kāi)I0.2～I(xiàn)0.4電芯、底托、電箱傳送電機(jī)報(bào)警I6.4膠水液位檢測(cè)I0.5～I(xiàn)0.6電芯、底托定位變頻器報(bào)警I7.0～I(xiàn)7.1電芯組輸入檢測(cè)、到位檢測(cè)I0.7電芯組轉(zhuǎn)移變頻器報(bào)警I7.2～I(xiàn)7.3電芯組轉(zhuǎn)移推板推出、退回I1.0～I(xiàn)1.1電箱定位變頻器報(bào)警,氣壓信號(hào)I7.4～I(xiàn)7.5電芯組定位擋板推出、退回I1.3～I(xiàn)1.5復(fù)位,回零,手動(dòng)/自動(dòng)選擇I7.6～I(xiàn)7.7電芯組定位推板推出、退回I1.6～I(xiàn)1.7啟動(dòng),停止I8.0電芯組抓取檢測(cè)I2.0～I(xiàn)2.1DELTA、直角坐標(biāo)機(jī)械手選擇I8.1～I(xiàn)8.2Y軸原點(diǎn)檢測(cè)、限位檢測(cè)I2.2～I(xiàn)2.4抓手開(kāi)關(guān),向上點(diǎn)動(dòng),向下點(diǎn)動(dòng)I8.3～I(xiàn)8.4Z軸原點(diǎn)檢測(cè)、限位檢測(cè)I2.5～I(xiàn)2.7向左、向右、向前點(diǎn)動(dòng)I8.5～I(xiàn)8.6電芯組抓手升起、降下I3.0～I(xiàn)3.2向后點(diǎn)動(dòng),抓手正轉(zhuǎn),抓手反轉(zhuǎn)I8.7～I(xiàn)9.0電芯組抓手1夾緊、松開(kāi)I4.0～I(xiàn)4.2電芯輸入、減速、到位檢測(cè)I9.1～I(xiàn)9.2電芯組抓手2夾緊、松開(kāi)I4.3～I(xiàn)4.5底托釋放、上料、輸入檢測(cè)I9.3～I(xiàn)9.4電芯組抓手轉(zhuǎn)向、復(fù)位I4.6～I(xiàn)4.7底托到位檢測(cè),電芯抓取檢測(cè)I10.0～I(xiàn)10.1電箱輸入檢測(cè)、減速檢測(cè)I5.0～I(xiàn)5.1電芯定位夾緊、松開(kāi)I10.2～I(xiàn)10.3電箱到位檢測(cè)、輸出檢測(cè)I5.2～I(xiàn)5.3底托定位前擋板1推出、退回I10.4～I(xiàn)10.5電箱定位擋板升起、降下I5.4～I(xiàn)5.5底托定位前擋板2推出、退回I10.6～I(xiàn)10.7電箱定位推板推出、退回I5.6～I(xiàn)5.7底托定位后擋板推出、退回I11.0～I(xiàn)11.1電箱定位夾塊夾緊、松開(kāi)I6.0～I(xiàn)6.1底托定位推板推出、退回

表2　輸出點(diǎn)地址分配表

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝和控制要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)控制軟件。本系統(tǒng)應(yīng)用西門(mén)子STEP7對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)并在SIMOTION SCOUT平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和SINAMICS 120電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的參數(shù)配置、動(dòng)態(tài)特性調(diào)試、故障診斷、運(yùn)動(dòng)控制程序編程[9]。編程人員可以在一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境下根據(jù)不同的工藝任務(wù)、邏輯控制或復(fù)雜計(jì)算公式，分別采用MCC，LAD，ST語(yǔ)言完成3個(gè)不同部分的程序編制[10]，大大地簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)的工作量。

圖4　機(jī)器人裝填控制流程圖

為了更有效地完成各功能塊的編寫(xiě)及執(zhí)行調(diào)用，節(jié)省系統(tǒng)掃描時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本系統(tǒng)采用分塊式結(jié)構(gòu)編程算法設(shè)計(jì)，具體主要采用的是分塊式結(jié)構(gòu)編程中的結(jié)構(gòu)化編程。結(jié)構(gòu)化編程由多個(gè)程序塊組成，并通過(guò)“組織塊”對(duì)其進(jìn)行組織與管理，在同一個(gè)掃描周期內(nèi)可以多次重復(fù)調(diào)用程序中的同一程序塊。

系統(tǒng)軟件按照功能劃分為8個(gè)工作模塊：①底托供給控制模塊；②底托定位控制模塊；③電芯定位控制模塊；④電池箱定位控制模塊；⑤機(jī)器人裝填控制模塊；⑥電芯組定位控制模塊；⑦電芯組裝箱控制模塊；⑧觸摸屏控制模塊。比如機(jī)器人裝填控制模塊的控制流程如圖4所示。系統(tǒng)各模塊運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)各模塊運(yùn)行流程圖

4人機(jī)界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在操作站加入一臺(tái)西門(mén)子MP277觸摸屏，使得整條電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)顯示更直觀，完成系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)調(diào)整更加方便[11]。觸摸屏程序使用WinCC flexible軟件編寫(xiě)[12]。WinCC flexible 簡(jiǎn)單、靈活、高效易于上手，使自動(dòng)化過(guò)程更加透明，組態(tài)更加簡(jiǎn)單，反應(yīng)更加迅速。即使在復(fù)雜環(huán)境下也能確保可靠的信息交換[13-14]。

該系統(tǒng)中組態(tài)的畫(huà)面主要包括：

(1)主界面即監(jiān)控界面，如圖6所示。主要顯示運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)信息，包括電機(jī)狀態(tài)、坐標(biāo)顯示、各工段狀態(tài)等。方便工作人員對(duì)整條裝箱線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6　主界面

(2)手動(dòng)控制界面，包含機(jī)器人與電缸的手動(dòng)控制界面、氣缸的手動(dòng)控制界面和電機(jī)的手動(dòng)啟停控制界面。圖7為機(jī)器人與電缸的手動(dòng)控制界面。

圖7　機(jī)器人與電缸的手動(dòng)控制界面

(3)參數(shù)設(shè)置界面，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Delta機(jī)器人和電缸各路徑點(diǎn)的坐標(biāo)、各路徑段的運(yùn)動(dòng)速度和定時(shí)器延時(shí)時(shí)間的設(shè)置。圖8為Delta機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置界面。

圖8　Delta機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置界面

(4)報(bào)警畫(huà)面。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障或者參數(shù)不正確時(shí)會(huì)彈出報(bào)警畫(huà)面，報(bào)警器響并顯示報(bào)警信息，工作人員可根據(jù)畫(huà)面中的信息找到報(bào)警位置，排除故障后，報(bào)警信息消失。

5控制系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

在完成電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)后，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。首先要完成對(duì)控制系統(tǒng)的接線檢測(cè)，其次將控制程序載入控制器并試運(yùn)行，然后檢測(cè)控制系統(tǒng)I/O信號(hào)是否正常，最后需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行不斷的調(diào)整改進(jìn)，使得整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試測(cè)得Delta 3D機(jī)器人完成電芯裝配的速度達(dá)到6秒/塊，機(jī)械抓手的重復(fù)定位誤差為0.3mm，符合裝配誤差為1mm的企業(yè)要求，裝配現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。二自由度電缸完成每個(gè)電芯組的裝箱時(shí)間為39s，電缸抓手的重復(fù)定位誤差為0.5mm，符合企業(yè)2mm裝箱誤差的要求。系統(tǒng)完成整個(gè)電池箱裝配的速度為200秒/箱，達(dá)到了4分鐘/箱的設(shè)計(jì)要求，裝箱現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖9　電芯裝配現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10　電芯組裝箱現(xiàn)場(chǎng)圖

6總結(jié)

文章針對(duì)電動(dòng)汽車電池裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用西門(mén)子SIMOTION作為系統(tǒng)控制核心，西門(mén)子觸摸屏作為人機(jī)交互界面完成了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試后，順利通過(guò)了連續(xù)72h無(wú)故障運(yùn)行及公司設(shè)備工程部的驗(yàn)收，已在實(shí)際生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用。目前以4分鐘/箱的裝箱速度長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行下來(lái)，平均無(wú)故障時(shí)間MBTF超過(guò)了800h，達(dá)到了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求。實(shí)際應(yīng)用效果證明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、易于操作，在提高企業(yè)自動(dòng)化程度的同時(shí)，節(jié)約了人力資源成本。受到了企業(yè)的好評(píng)。

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(編輯趙蓉)

Design of Controlling System for Electric Car Battery Packing Production Line

WANG Jun-jie1，ZHANG Wei1，JIN Jie-feng2，LOU Xiang-ming2，YE Li-feng2

(1.College of Mechanical Engineering, China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;2.Hangzhou Wahaha Institute,Hangzhou 310019,China)

Abstract：For current electric car battery packing industry dominated by artificial leading to low efficiency,we designed a new control system for the production line of electric cars battery packing line. The system is based on SIMOTION D435 motion controller.And the human-computer interaction interface of this system is realized by Siemens MP277 touch screen.We designed the hardware and software successfully of this system after it’s architecture is planned.We designed human-machine interface through WinCC flexible.The system can accomplish a set of action automatically including supplying bottom brackets、assembling and controlling batteries.We successfully improved the efficiency and reliability of the production line,and make it be operated more easily so that it can meet the requirement of industrial production better.

Key words：battery packing; SIMOTION; control system; HMI

中圖分類號(hào)：TH166;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王俊杰(1991—)，男，合肥人，中國(guó)計(jì)量學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制，(E-mail)294865255@qq.com。

*基金項(xiàng)目：高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)(2011ZX04013-011)

收稿日期：2015-04-27；修回日期：2015-06-01

文章編號(hào)：1001-2265(2016)02-0122-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.035