基于運(yùn)動(dòng)控制卡的燃料電池雙極板涂膠系統(tǒng)

黃培軍， 陳甦欣， 汪濤， 楊郡， 張國慶

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

燃料電池雙極板是燃料電池組中十分重要的部件，它在電池組中起到了分割氧化劑和燃料、傳導(dǎo)電流、保持電堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多方面的作用[1]。在燃料電池雙極板的裝配過程中，必須要經(jīng)過密封工序，以保證良好的密封性能，使燃料電池具有較高的安全性、可靠性和耐久性[2-3]。目前對極板的密封主要采用密封條密封的方式，裝配時(shí)需要人工將密封條嚴(yán)絲合縫地安裝到極板的相應(yīng)位置。由于密封條數(shù)量多、形狀復(fù)雜且極易變形，這種傳統(tǒng)裝配方式效率低、質(zhì)量較差、人力成本也逐年增加，迫切需要自動(dòng)化改造[4]。

點(diǎn)膠和涂膠技術(shù)在密封工藝中具有重要的作用，應(yīng)用十分廣泛[5-7]，使用涂膠設(shè)備將密封膠涂布在雙極板上以完成密封的工藝越來越多地得到應(yīng)用。某燃料電池雙極板涂膠軌跡如圖1所示，其中包含外輪廓軌跡及內(nèi)部交線，要求所涂密封膠質(zhì)地均勻，精確度要求較高。

圖1 某燃料電池雙極板涂膠軌跡

本文利用IPC配合固高GTS四軸運(yùn)動(dòng)控制卡，通過二維位置比較方法實(shí)現(xiàn)涂膠的精確控制，并采用C#編程語言設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及動(dòng)作流程

1.1 涂膠設(shè)備結(jié)構(gòu)

涂膠設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由三坐標(biāo)機(jī)器人、涂膠模塊、主控柜、工作臺組成，設(shè)備主體三維模型如圖2所示。

1.2 涂膠設(shè)備在生產(chǎn)線中的工作流程

涂膠設(shè)備安裝在生產(chǎn)線上，其工作流程如圖3所示，可以分為5步。承載有待涂膠雙極板的托盤隨傳送帶進(jìn)入工作臺上后，托盤到位信號被觸發(fā)，隨后具有抬起定位功能的機(jī)構(gòu)將托盤抬起并延時(shí)適當(dāng)時(shí)間，待極板穩(wěn)定后三坐標(biāo)機(jī)器人和涂膠模塊開始進(jìn)入工作狀態(tài)，按照給定的軌跡對極板進(jìn)行涂膠，涂膠完成后，托盤承載著雙極板到傳送帶并隨傳送帶流出涂膠工位，涂膠設(shè)備回零，等待下一次涂膠。

圖2 燃料電池雙極板涂膠設(shè)備

圖3 涂膠設(shè)備工作流程循環(huán)圖

2 控制系統(tǒng)硬件組成

針對涂膠設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，電池極板涂膠控制系統(tǒng)采用IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案。該控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的柔性、交互性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在諸多工業(yè)場景中獲得了廣泛的應(yīng)用[4-6,8-10]。

IPC 即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（Industrial Personal Computer），它具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)充性強(qiáng)的特點(diǎn)。本設(shè)備采用研華IPC擴(kuò)展了一塊運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡采用固高科技公司的GTS-400-PV-PC運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡具有強(qiáng)大的同步控制及插補(bǔ)規(guī)劃功能，滿足許多行業(yè)的精確控制功能需求，并且還提供了多種編程語言如VB、VC、C#和Delphi等二次開發(fā)的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件[10]。

控制方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以分為人機(jī)界面層、運(yùn)動(dòng)控制層和執(zhí)行層共3層。人機(jī)界面層提供軌跡編程、設(shè)備狀態(tài)顯示、設(shè)備控制指令下達(dá)等人機(jī)交互功能；運(yùn)動(dòng)控制層實(shí)現(xiàn)對底層設(shè)備控制和對傳感器信號采集的功能；執(zhí)行層負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)械動(dòng)作、采集和發(fā)送I/O信號等功能。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在IPC上，是控制系統(tǒng)最主要的組成部分，C#作為一種面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的程序語言，能夠進(jìn)行可視化窗體開發(fā)，有著豐富的類庫資源，本文采用VS2017開發(fā)燃料電池雙極板涂膠控制系統(tǒng)軟件。

圖5 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖5所示為控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)。控制系統(tǒng)軟件分為應(yīng)用層、運(yùn)動(dòng)控制卡接口層、驅(qū)動(dòng)層共3層。應(yīng)用層使用C#編程語言在Windows環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序，在應(yīng)用程序中添加控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫gts.dll后就可以通過調(diào)用板卡動(dòng)態(tài)鏈接庫中的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)對底層硬件的控制。控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件里面封裝了能夠?qū)Π蹇ㄟM(jìn)行基本操作的函數(shù)，因此控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)主要是圍繞應(yīng)用程序?qū)舆M(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3.2 功能模塊

功能模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足設(shè)備的使用要求，該控制軟件的功能模塊主要功能包括涂膠軌跡數(shù)據(jù)輸入和保存功能、涂膠功能、涂膠過程顯示功能。

3.2.1 涂膠軌跡數(shù)據(jù)輸入和保存

對于不同的雙極板，其涂膠工藝參數(shù)不盡相同，因此，需要提供涂膠軌跡數(shù)據(jù)輸入和保存功能。雙極板的涂膠軌跡為直線和圓弧拼構(gòu)而成，因此，軟件只向操作人員開放直線和圓弧軌跡的輸入功能。當(dāng)有新類型的雙極板需要涂膠時(shí)，操作人員需要通過軟件界面輸入涂膠軌跡數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將被保存在對應(yīng)的CSV（逗號分隔值）文件中，該類型文件能夠用純文本的方式儲存表格數(shù)據(jù)，在程序中讀寫方便，十分適合存儲用戶輸入的運(yùn)動(dòng)指令。

3.2.2 基于二維位置比較的涂膠功能

涂膠功能需要達(dá)到兩個(gè)要求：1）控制三坐標(biāo)機(jī)器人按照給定的涂膠軌跡運(yùn)動(dòng)；2）控制涂膠模塊正確涂膠。

運(yùn)動(dòng)控制卡只能夠接受特定格式的指令，操作人員輸入的涂膠軌跡數(shù)據(jù)不能直接用來控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)，因此需要對輸入的涂膠軌跡進(jìn)行解析。在程序中，使用List類型對象存儲從CSV文件中讀取到的涂膠軌跡數(shù)據(jù)，再按照控制卡指令的格式將涂膠軌跡數(shù)據(jù)寫入到控制卡中，通過調(diào)用控制卡的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，就能使三坐標(biāo)機(jī)器人按照輸入的軌跡數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)。

除了控制三坐標(biāo)機(jī)器人按照給定的軌跡運(yùn)動(dòng)外，運(yùn)動(dòng)控制卡還要對涂膠模塊進(jìn)行控制。

固高科技公司的GTS-400-PV-PC運(yùn)動(dòng)控制卡具有二維位置比較功能[11]。如圖6所示，設(shè)T(Tx,Ty)為平面上的目標(biāo)點(diǎn)（位置比較點(diǎn)），Mx、My分別為X方向和Y方向上的最大允許位置誤差，圖中的矩形為目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域時(shí)，就會(huì)觸發(fā)脈沖或者電平輸出信號。

如果在涂膠軌跡上按照相等的間距設(shè)置位置比較點(diǎn)，當(dāng)三坐標(biāo)機(jī)器人依次經(jīng)過這些位置比較點(diǎn)時(shí)，就能夠不斷觸發(fā)位置比較輸出信號，在接受到位置比較輸出信號后，可以設(shè)置讓點(diǎn)膠閥轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而擠出一定量的膠液形成膠點(diǎn)。如果位置比較的間隔設(shè)置得足夠小，就可以連點(diǎn)成線，形成均勻的膠線，完成精準(zhǔn)的涂膠。

該功能依賴于給定的位置比較點(diǎn)。保存在CSV文件中的數(shù)據(jù)只有描述軌跡的必要信息，例如對于直線，只有終點(diǎn)坐標(biāo)、速度、加速度等參數(shù)。因此，需要通過算法按照一定的間隔計(jì)算給定軌跡上點(diǎn)的坐標(biāo)，并且這些點(diǎn)的坐標(biāo)必須是有順序的，本文只需要計(jì)算直線、圓弧兩種情況的坐標(biāo)點(diǎn)。涂膠執(zhí)行功能模塊的運(yùn)行流程如圖7所示。

3.2.3 涂膠過程顯示

涂膠過程顯示主要有兩個(gè)作用：一是在涂膠過程中，每隔0.1 s獲取一次X、Y、Z軸的位置數(shù)據(jù)，并繪制在軟件界面的窗口中，顯示涂膠的實(shí)時(shí)位置；二是在輸入涂膠軌跡數(shù)據(jù)時(shí)，將輸入的涂膠軌跡數(shù)據(jù)直觀地顯示在界面窗口中，降低操作人員輸入錯(cuò)誤軌跡數(shù)據(jù)的可能性。

圖6 二維位置比較原理示意圖

3.3 人機(jī)交互界面

圖7 涂膠功能模塊運(yùn)行流程圖

人機(jī)交互界面提供操作人員和控制軟件的交互通道，可分為3大區(qū)域：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)、程序輸入?yún)^(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)。人機(jī)交互界面如圖8所示。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)負(fù)責(zé)設(shè)備的總體控制和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如X、Y、Z電動(dòng)機(jī)的使能、設(shè)備回零、涂膠原點(diǎn)設(shè)置、出膠量調(diào)節(jié)等；程序輸入?yún)^(qū)作用是提供涂膠數(shù)據(jù)的輸入、保存、編輯等功能；設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)包括涂膠軌跡、限位開關(guān)、三坐標(biāo)機(jī)器人位置等數(shù)據(jù)的顯示，能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié) 論

圖8 人機(jī)交互界面

本文采用IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式對燃料電池雙極板涂膠系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，上層采用C#語言對上位機(jī)軟件進(jìn)行了編寫，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠滿足燃料電池雙極板涂膠的要求，適應(yīng)對不同形狀的雙極板密封工作，極大地提高了電池雙極板的裝配效率和裝配質(zhì)量，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。后期可進(jìn)一步優(yōu)化涂膠跡線之間的搭接工藝，完善涂膠路徑細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對密封膠更精確的控制，同時(shí)提高涂膠微調(diào)精度。