基于激光線掃傳感器鋰電池動態(tài)涂膠系統(tǒng)方案設(shè)計

饒建紅，鄔榮飛，楊慶華

(東莞市李群自動化技術(shù)有限公司，東莞 523808)

0 引言

電池主要由5大部分組成：正極、負極、隔膜、電解液和外殼。因生產(chǎn)工藝和外包裝的不同，鋰電池可以呈現(xiàn)多種外觀形態(tài)，常見的外觀形態(tài)有圓柱形、方形和軟包裝。按電池卷芯結(jié)構(gòu)不同可分為卷繞式和疊片式，根據(jù)客戶的不同工況需求，圓柱形電池選用單極耳或多極耳的圓柱形卷繞電芯，方形電池和軟包裝電池殼選擇采用方形卷繞電芯或疊片結(jié)構(gòu)電芯進行電池裝配[1]。方形電池和軟包裝電池在進行模組組裝時需要先進行電芯涂膠，如圖1所示：一般的做法是先通過3D相機獲取電池的外形輪廓，然后再用直線電機或者是機器人進行涂膠。

圖1 電池樣品外觀示意圖

針對鋰電池涂膠工藝研究，提出了一種基于基恩士激光線掃LJ-V7060動態(tài)鋰電池涂膠方案，將LJ-V7060線掃槍頭裝在機器人的末端，點膠頭放在線掃槍頭的后面，兩者相差一定的距離，距離小于電池的長邊，線掃槍頭預(yù)先掃描電池的一部分輪廓，然后位于槍頭后面的膠頭進行涂膠，一邊掃描一邊涂膠，提高涂膠的效率。在本方案中，機器人用的是東莞市李群自動化的SCARA機器人，型號為AH5020。

1 LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)及內(nèi)參外參標定

1.1 LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)

電池的邊緣會存在卷起或 皺的情況，因此需要動態(tài)獲取xyz三維度數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)要求的精度為60μm以及電池尺寸，因此選用LJ-V7060能夠滿足系統(tǒng)的精度要求，圖2是LJ-V7060的技術(shù)參數(shù)。

圖2 LJ-V7060技術(shù)參數(shù)

1.2 內(nèi)參標定

線掃傳感器的工作截面為一個近似梯形（如圖3所示），這意味著在不同的掃描高度，傳感器獲取的x方向上的數(shù)據(jù)對應(yīng)真實x方向上長度的比例因子是不一致的，需要進行標定和畸變校正。

圖3 傳感器的工作截面示意圖

對于有些廠商的傳感器如基恩士，出廠時已作內(nèi)參標定，而有些廠商的傳感器需要用戶自己做內(nèi)參標定。畸變校正的公式如式(1)所示：

L——物體在x方向的真實長度；

Points——傳感器掃描到的長度（點的個數(shù)）；

制作一個立方體標定塊，標定塊的長寬高尺寸已知，標定塊的尺寸精度影響到內(nèi)參的標定精度。圖4為標定原理圖，標定時已知，需要求解實際應(yīng)用時根據(jù)可以得出物體的x方向的真實長度L。

圖4 標定原理圖

1.3 外參標定

外參標定分為間接標定方法和直接標定方法。

1.3.1 間接標定

由于激光線掃傳感器每次發(fā)出的是一條藍色的線，本文采用的是外部觸發(fā)（下降沿）的方式，觸發(fā)一次，得到一行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點的個數(shù)為800個，數(shù)據(jù)間隔為0.02mm，也就是傳感器x方向的精度。可以通過工具坐標標定的方式來得到線掃傳感器上的800個點與機器人的法蘭中心的位置偏差[2]。

圖5 坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系

Prs——傳感器在機器人坐標系下的位置坐標；

Pre——機器人法蘭中心點在機器人坐標系下的位置坐標；

Pes——傳感器相對于機器人法蘭中心點的偏移位置。

假設(shè)傳感器下有一點P，如果知道該點P所對應(yīng)的傳感器x方向的坐標，然后知道該傳感器所對應(yīng)的x坐標點與法蘭之間的位置偏移，同時獲取當前機器人的法蘭位置，那么就可以得到傳感器下的點P所對應(yīng)的機器人坐標。

機器人工具坐標系的標定較常用的方法為最小二乘法擬合算法[3]，利用3點或3點以上的點進行擬合得到機器人TCP位置，如果是6軸機器人，還需要得到TCF坐標。

1.3.2 直接標定

根據(jù)文獻[4]和文獻[5]，傳感器安裝在機器人手臂上主要是通過求解多組（至少兩組）齊次方程Ax=xB，A為機器人位置變換矩陣，B為傳感器位置變換矩陣。根據(jù)文獻[4]，上述齊次方程存在唯一的解的條件是A1與A2的旋轉(zhuǎn)軸不平行且旋轉(zhuǎn)角度不是0度以及180度。文獻[5]用lie group求解齊次方程，將方程寫成矩陣形式如式(3)所示：

假設(shè)有n組｛（A1，B1）（A2，B2）…….（An，Bn）｝，首先必須找到θx使得式(4)最小，

其次找到bx使得式(5)最小，

本方案中采用的是間接標定方法，標定時候需要加工制作一塊高精度標定板，設(shè)計為一塊標定板中心有一個直徑為10mm的圓柱，圓柱的高度不超過線掃傳感器的量程（-8mm～8mm），在本設(shè)計中圓柱的高度為5mm。標定板加工尺寸的精度要求不低于0.02mm，同時在進行機器人與傳感器的標定時，標定板固定在平臺上且需要調(diào)水平，水平度要求不低于0.02mm。如圖6所示。

圖6 標定板

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 硬件方案設(shè)計

圖7 系統(tǒng)平臺示意圖

圖8 機器人夾具示意圖

圖9 控制方案示意圖

1）膠頭分為上下兩個出膠針頭，要保證點膠效果，需要保證出膠口在豎直方向上重合，為了做到這一點，機械設(shè)計通過夾具上的同心孔保證；兩膠頭間的距離根據(jù)點膠工藝控制在0.5mm，通過制作0.5mm厚的標準塊去校對。

2）機架下方安裝標定相機及鏡頭，安裝高度保證可調(diào)節(jié)到物距，具體參數(shù)后面相機選型會提及，由于點膠頭的工具坐標標定采用的鏡頭是遠心鏡頭，遠心鏡頭無法調(diào)焦，所以相機的安裝考慮旋鈕微調(diào)高度、螺釘遠調(diào)的結(jié)構(gòu)。

3）電池承載裝置，平面與機器人Z軸盡可能垂直，保證膠頭與電池邊緣角度出膠合理。

4）UV固化燈以及升降裝置，升降的設(shè)計是一方面固化UV膠，另一方面升降可以避免與機器人夾具干涉。

2.2 軟件方案設(shè)計

圖10是系統(tǒng)交互框架圖，軟件系統(tǒng)主要分為上位機和下位機，上位機分別于激光線掃控制器和機器人控制器進行網(wǎng)絡(luò)通信，上位機從激光線掃控制器讀取電池3D點云數(shù)據(jù)并進行處理轉(zhuǎn)換得到機器人運動軌跡數(shù)據(jù)，機器人負責(zé)控制DO信號觸發(fā)激光線掃控制器進行數(shù)據(jù)采集并按照上位機發(fā)過來的軌跡數(shù)據(jù)進行運動并控制點膠閥進行涂膠。

圖10 系統(tǒng)交互框架圖

圖11 數(shù)據(jù)采集流程

圖12 數(shù)據(jù)處理流程

圖13 邊緣提取流程

3 實驗結(jié)果與分析

圖14是機器人線速度在20mm/s下的點膠示意圖，如果要達到出膠均勻，需要控制器機器人末端的速度以達到勻速狀態(tài)，另外出膠的速度需要與機器人速度進行匹配，如果機器人速度比出膠的速度快，在某些位置會出現(xiàn)斷膠，如果機器人速度比出膠的速度慢，將會出現(xiàn)膠水過多的情形，實際過程中需要不斷調(diào)整出膠閥以及機器人速度。

圖14 實際點膠效果圖

4 結(jié)語

本文中提出一種新型的 電池動態(tài)涂膠方案，介紹了激光線掃傳感器內(nèi)參外參標定原理及方法、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)方案。激光線掃和點膠頭都安裝在機器人末端，激光線掃與點膠頭錯開一段距離，激光線掃提前掃描獲取一部分的電池輪廓數(shù)據(jù)并進行處理生成機器人軌跡，機器人在涂膠的同時激光線掃同時采集下一部分電池輪廓數(shù)據(jù)，這樣就達到了邊采集變涂膠的功能，通過實際測試結(jié)果可知，通過該方案得到實際涂膠效果良好，初步滿足實際的應(yīng)用需求。