基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統

潘 桓， 史佳超， 王慶東

1.上海電氣自動化集團 上海 200070 2.上海空間電源研究所 上海 200245

1 開發背景

熱電池生產過程中，由于電池材料的性能要求，生產環境溫度不高于－36℃。生產工人不能長時間在這一環境下工作，因此設計自動設備來替代人工操作是大勢所趨［1-4］。

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統就是針對這種特殊要求而開發的，整個系統要求稱量速度快，計量精確，稱量環節實現自動化，操作員只負責上下料工作［5-7］。

2 系統用途

多工位熱電池粉料自動稱量系統主要用于熱電池粉料的稱量，可同時實現熱電池單體備用加熱粉、正極粉、隔離粉、負極粉的自動稱量，并可對稱量數據進行實時存儲。

3 組成機構

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統由粉料自動稱量機構、粉碗自動裝盤機構、粉盤快速輸出機構、機器人單元等組成，如圖1所示。稱量系統周邊與頂部增設遮蓋，防止粉塵侵入。各機構由電氣控制系統控制協同工作，完成送料、稱量、輸出、物流等自動處理流程［8-10］。粉料自動稱量機構共有五個，正常情況下有四個在運行、一個備用，可稱量四種粉料。通過冗余設計，可以保證稱量系統在某個粉料自動稱量機構發生故障后仍可以使用備用機構繼續運行。

粉料自動稱量機構只需加入空料盤和粉料，就能根據稱量系統設定的稱量值和精度等級自動完成稱粉工作，并將料盤送到指定地點，等待取走。機器人單元快速搬運稱量系統成品，可使稱量系統高效運行，實現操作人員的離線工作方式，并對成品料盤進行按組排列。

圖1 多工位熱電池粉料自動稱量系統組成機構

4 機械設計

4.1 粉料自動稱量機構

粉料自動稱量機構由自動振粉系統、空粉碗自動供給機構、粉碗自動切換機構和稱量設備組成，如圖2所示。人工將裝有固定數量的一疊空粉碗放到空粉碗自動供給機構位置。在電氣控制系統控制下，粉碗落入粉碗自動切換機構中。該機構將空粉碗切換至自動稱量位置，再由自動振料系統實現粉料的分離，直至稱量出所需粉料的量，自動振料系統停止振動。粉碗自動切換機構將稱量合格的粉碗切換至機器人抓取位置，以供機器人完成抓取動作。當稱量不合格時，機器人抓取不合格的粉碗，將其放進廢料回收機構。

4.1.1 自動振粉系統

自動振粉系統利用直線振動器，將料倉中的粉料均勻地振動分離，如圖3所示。料倉內設有濾網，可過濾粘結的粉料，從而保證粉料顆粒的均勻一致性。濾網可以被快速更換，并且設有出料閥門，可根據不同的粉料需求調節出料閥門，以達到粉料的需求量。此外，還設有低粉報警傳感器，當粉量到達預定位置時，傳感器報警提示，人工進行加料。直線振動器濾嘴口采用316不銹鋼材料，其余部位采用304不銹鋼材料。

圖2 粉料自動稱量機構

圖3 自動振粉系統

4.1.2 空粉碗自動供給機構

空粉碗自動供給機構利用夾爪氣缸夾取粉碗，頂升氣缸接取粉碗，通過夾爪氣缸與頂升氣缸配合動作實現粉碗的逐個分離，如圖4所示。人工拿取預先裝好的一疊粉碗，裝載到固定位置。拔下插銷片，粉碗落入夾爪氣缸夾具中。電氣控制系統控制氣缸動作，完成粉碗的自動供給。

4.1.3 粉碗自動切換機構

粉碗自動切換機構利用分度盤將一分位的空粉碗旋轉到二分位的稱量位置，待粉料稱量完成后，再自動旋轉至三分位及四分位的抓取位置，等待機器人完成抓取動作。在一分位旋轉過后，分度盤的后續空分位相繼到達一分位位置，循環接取空粉碗。粉碗自動切換機構如圖5所示。

圖4 空粉碗自動供給機構

圖5 粉碗自動切換機構

4.1.4 稱量設備

稱量設備中，由計算機控制高精度電子天平來完成稱量任務，如圖6所示。稱量設備單獨設計天平支撐，防止因振動帶來的稱量不準確，減小稱量不合格率。

4.2 粉碗自動裝盤機構

粉碗自動裝盤機構需要在單軸機器人的配合下完成工作，如圖7所示。工作時，先由人工將固定數量的一疊粉盤放至固定位置，單軸機器人將粉盤上升至粉碗自動裝盤初始位置，六軸機器人將稱量完成的粉碗抓取放進粉盤，完成自動裝盤。每裝好一盤，由機器人取走，放入粉盤快速輸出機構指定位置。空粉盤自動上升至裝盤初始位置，循環進行。

圖6 稱量機構

圖7 粉碗自動裝盤機構

4.3 粉盤快速輸出機構

機器人將裝好粉碗的粉盤放至粉盤快速輸出機構的初始位置。待放滿兩疊之后，氣缸快速推動粉盤，到達人工取盤位置。隨后，工人取出粉盤到下一工位。粉盤快速輸出機構如圖8所示。

圖8 粉盤快速輸出機構

4.4 機器人單元

機器人單元由發那科LR-MATE 200i D六軸機器人及其固定框架組成。為方便進入使用室，框架在設計上采用易于分拆和安裝的結構，可在短時間內完成拆卸和安裝，如圖9所示。

圖9 機器人單元

5 電氣控制系統

整個電氣控制系統由多個獨立運行的部分組成，包括粉料自動稱量控制系統、粉碗自動裝盤控制系統、粉盤快速輸出控制系統、機器人控制系統、可編程序控制器（PLC）控制系統、上位機監控系統等。

PLC作為傳統的工業控制技術，正由最初的邏輯控制向過程控制發展。隨著系統復雜性的提高，PLC正在走向運動控制和以工業總線技術為基礎的分散控制，這將是PLC技術發展的主要發展方向。PLC控制技術雖然面臨著來自其它自動化控制系統的挑戰，但同時也在吸收其它控制系統的優點，互相融合，不斷創新，在工業各領域將得到更廣泛的應用。

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統采用PLC進行控制，PLC通過串口和上位機監控系統進行連接。PLC的五個串口分別連接五套稱量模塊，通過模擬量輸入輸出模塊連接五套送料控制器，進而控制送料機構的送料速度。分度盤、粉碗料庫、粉盤料庫、出料機構均采用開關量進行控制。機器人和PLC通過Device Net總線進行連接。

進行粉料稱量控制時，PLC通過模擬量輸入輸出模塊控制送料控制器的速度，以調節送料機構下料的速度。稱量模塊通過串口連接PLC，PLC通過串口讀取稱量模塊上料的數據，然后和設定值進行判斷比較，再通過控制模擬量模塊電壓的輸出來調節自動振粉系統，實現閉環控制。PLC通過Device Net總線和機器人進行連接通信，PLC可以讀取機器人當前的狀態，并控制機器人去取粉盤、成品等。現場供電為交流380 V三相五線制，并配置供氣氣源，管徑根據實際需求設定，并增設一道氣路用于吹掃清理現場。

6 工作流程及故障處理方式

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統工作流程如圖10所示。

圖10 多工位熱電池粉料自動稱量系統工作流程

6.1 粉碗抓取流程

粉碗從料庫落下，分度盤旋轉90°，粉碗進入一分位進行稱量。稱量完畢后，分度盤繼續旋轉90°，粉碗進入二分位通知機器人抓取。若后面一個粉碗稱量完畢，而三分位沒有粉碗，則分度盤繼續旋轉90°，粉碗進入三分位并通知機器人抓取。機器人可以根據實際情況進行抓取。若一側的兩個分度盤三分位都有粉碗，則機器人一次性將兩個粉碗一起抓取。若一側的兩個分度盤三分位僅一個有粉碗，則機器人等待兩個分度盤三分位都有粉碗時一起抓取。若一側的兩個分度盤三分位都沒有粉碗，則機器人分別抓取兩個分度盤二分位的粉碗。粉碗抓取示意圖如圖11所示。

6.2 加料流程

每個粉料自動稱量機構前方都加裝一個加料按鈕盒，按鈕盒由一個帶燈的綠色按鈕指示燈和一個黃色指示燈組成。正常運行時，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈滅。少料時，綠色按鈕指示燈常亮，黃色指示燈閃爍。料用盡時，綠色按鈕指示燈滅，黃色指示燈常亮。

圖11 粉碗抓取示意圖

當看見某個工位黃色指示燈閃爍或常亮時，表示該工位缺料或斷料，此時可以打開安全門進行加料。加料完畢后關上安全門，按下綠色按鈕指示燈完成加料。粉料自動稱量機構缺料表示粉碗料庫缺料或振動輸送器缺粉，粉盤料庫工位缺料僅表示對應工位粉盤缺料。

6.3 粉盤料庫抓取流程

粉盤料庫分左右兩個，機器人一旦開始抓取某個料庫的粉盤，就會將該料庫的粉盤優先抓取完畢后再換到另一個粉盤進行抓取。左右兩個粉盤料庫與左右兩組出料機構對應，以便人工進行加料，與機器人互不干涉。

6.4 人機交互界面

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統人機交互界面如圖12所示，借助各按鈕和指示燈進行控制和狀態反饋，使控制系統正常工作。人機交互界面各按鈕具體功能見表1。

圖12 人機交互界面

表1 人機交互界面按鈕功能

（1）手動模式。在手動模式下，可以有以下功能：① 手動單獨執行某一個稱量設備，并顯示結果；②手動測試機器人夾爪；③ 手動初始化機器人；④手動操作托盤料庫上下移動。

（2）自動模式。只有在自動模式下，才可以正常啟動系統。

（3）初始化系統。用于檢測系統狀態、檢測機器人原點位置、復位氣缸與夾爪等。

（4）系統停止。按下系統停止按鈕后，機器人將該周期的四個粉碗和托盤放入出料機構，然后系統停止運行。

（5）暫停和繼續。按下暫停按鈕，機器人在當前位置暫停，程序中斷。再按下繼續按鈕，機器人從中斷的位置繼續運行程序。

6.5 燈塔

系統借助燈塔對整體工作狀態進行顯示，具體包括紅、黃、綠三色指示燈與蜂鳴，見表2。

表2 燈塔顯示與對應工作狀態

7 結論

基于工業機器人的多工位熱電池粉料自動稱量系統性能穩定、界面友好、工作效率高，滿足各項指標要求，已通過航天工業工程驗收，并投入了實際生產，開拓了工業機器人在航天工業新能源柔性制造領域的應用。