機器人在電力電容器元件包封中的應用

馮英龍， 羅 軍

（西安航天動力試驗技術研究所， 陜西 西安 710100）

0 引言

隨著生產力的不斷進步， 工業機器人逐漸取代了人力勞動，已經應用到了汽車行業、電子電器行業、工程機械等多個領域，不僅保證了產品質量，提高了生產效率，同時避免了大量的工傷事故，將人力解放了出來。國內電力電容器行業目前正在更新生產工藝， 力求改變過去陳舊的生產方式， 提高自動化生產水平， 積極向德國工業4.0 方向轉變。 針對上述情況，本文提出了將機器人應用到電力電容器元件包封生產領域的思想， 通過機器人搬運技術的應用取代人工作業，實現熔絲制作、芯子包封及元件粘接三種工藝流程。 機器人在電容器元件包封中的有效應用是電力電容器行業發展的一次重要飛躍， 具有非常重大的意義。

1 系統組成及原理

如圖1 所示， 電容器芯子包封機器人工作站由芯子上料臺、絕緣紙殼放置臺、預包裝臺、膠帶制作臺、熔絲制作機、 包封整形臺、1 號搬運機器人、2 號搬運機器人、包封下料臺等組成。 通過引入機器人控制技術以及真空吸附技術，取代人工進行絕緣紙殼、芯子、熔絲、元件的抓取和放置，最終完成如圖2 所示的元件包封。

具體工藝流程如下： 設備啟動→各工位初始化→真空吸盤將上料臺絕緣紙殼放置到位→1 號機器人夾取紙殼放置到預包裝臺→1 號機器人取芯子放置到預包裝臺→預包裝臺定位完畢→1 號機器人取預包裝產品放置到包封臺→包封臺定位完畢→2 號機器人取熔絲固定到包封臺→膠帶制作臺粘膠帶固定熔絲→膠帶刷平→2 號機器人取包封臺產品→包封臺固定裝置打開→2 號機器人取成品元件放置到下料臺→下料臺輸送產品到指定位置→依次循環。

圖1 設備組成圖

圖2 產品結構圖

2 機器人硬件的選取

根據所抓取元件及氣動夾具的重量， 結合工作現場回轉半徑的計算，選取兩臺ABB 生產的IRB-120 型機器人。 其具有結構緊湊、重量輕，易于集成，可靠性強的特點。 主要規格參數如表1 所示。

表1 IRB- 120 機器人參數表

2.1 機器人夾具的設計

將1 號機器人和2 號機器人夾具設計成二合一的氣動機構，可以實現兩種方式的夾取。其中1 號機器人夾具先完成絕緣紙殼的抓取，然后通過電磁閥換向，反向完成電容器芯子的抓取。 2 號機器人夾具首先完成熔絲的抓取， 然后通過電磁閥換向， 反向完成整個成品元件的抓取。 夾具結構如圖3 和圖4 所示。

圖3 機器人1 氣動夾具結構圖

圖4 機器人2 氣動夾具結構圖

2.2 機器人I/O 板的應用

根據1 號機器人和2 號機器人與外部設備之間輸入輸出點位的計算結果， 兩臺IRB-120 型機器人需分別外配2 塊集成了16 個數字量輸入信號和16 個數字量輸出信號DSQC652 板卡與PLC 控制器進行I/O 信號交互[2]，實現多個中間過程的控制。 第一塊板卡在機器人控制柜主板上地址設計時定為10，第二塊板卡與第一塊板卡之間通過DeviceNet 現場總線連接， 端子X5 的6～12 的跳線來決定模塊的地址。 如圖5 所示， 將X5 端子上6、9、11、12 短接，DeviceNet 獲得網絡地址為1×20+1×21+0×22+1×23+0×24+0×25=11，即第二塊DSQC652 板卡對應的機器人控制柜主板地址為11[1]。 通過地址的設定，實現了機器人主板與外配板卡的通訊連接，使兩者融為一體，達到了集中控制的目的。

圖5 DeviceNet 總線連接圖

3 機器人應用軟件的開發[1]

機器人應用軟件的開發包括主程序（main）、初始化程序（rInitAll）、路徑程序、中斷程序（tMonitorDI1）、回退程序等的開發和編寫。

3.1 機器人工作程序的編寫

主程序通過WHILE 條件判斷指令、IF 條件判斷指令等完成，具體程序編寫事例如下：

按照相應運動軌跡和工藝流程，1 號機器人和2 號機器人分段編寫出各自的路徑程序。 程序內部由置位指令（SET）、復 位 指 令（RESET）、機 器 人 運 動 指 令（MOVJ、MOVL、Wait Time 等）、I/O 控制指令等組成， 具體編寫應符合現場應用場合。

3.2 機器人回退程序的編寫

由于設備四周遮擋過多， 機器人無法從任意點處直接回到設定原點，每次需手動將機器人調整回原點，這樣造成了設備操作復雜，且浪費了工作時間。 為此，設計時開發了機器人回退程序， 保證了機器人從任意點處自動回歸原點。 程序中定義變量m，通過Incr m（加1）指令實現每條路徑語句的計數，編程時通過For，Test，Case 指令實現回退程序的編寫。 具體程序如下：

4 機器人的應用與原工藝對比

電力電容器元件包封原始加工工藝，即芯子包封、熔絲制作及放置、芯子粘接過程中需要三臺設備，另配三個人來完成。本文通過引進兩臺搬運機器人之后，只需一個人來完成元件包封的生產流程，大大節約了人力資源。如表2 所示，過去加工每件產品大約需要20 秒，即每小時生產180 件產品。 目前設備加工每件產品大約只需15 秒鐘完成，即每小時可生產240 件產品。 按照每天8 小時工作時間計算，引進機器人之后，每天可多生產480 件，經過數據對比，計算可得提高生產效率為： （240×8-180×8）/180×8×100%≈33.3%。

表2 新工藝與舊工藝對比參數表

5 結論

經過在上海思源電器有限公司和山東泰開電力電子有限公司的現場應用證明， 搬運機器人在電力電容器元件包封生產工藝中的應用效果顯著， 所生產的產品一致性和可靠性得到了明顯的提高， 同時減少了人工數量2人，提高了生產效率達33.3%，經濟效益得到明顯提升。這是搬運機器人在元件包封領域的首次應用， 填補了多項技術空白，經過調研，國外目前尚無此種設備應用的記錄，具有重大的推廣意義。