基于工业机器人的极板搬运工作站的设计与实现
【摘 要】在中国制造2050和工业4.0“机器换人”的大背景下，中国工业生产正由制造向智造转型升级。本文在铅蓄电池极板生产线中引入工业机器人，开发了一种极板搬运工作站，并进行了PLC控制系统的设计，大大提电池极板生产效率，实现自动化。
【关键词】工业机器人；电池极板；搬运工作站
Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot
【Abstract】Under the“Made in China 2025” and “Industry 4.0”， China industry is changing from manufacturing to intelligent manufacturing.In this paper， the industrial robot is introduced into the plate production line， meanwhile a kind of plate handing workstation is developed. The design of PLC control system is carried out in the workstation. The robot workstation greatly improves the production efficiency of the battery plate and realizes automation.
【Key words】Implementation robot； Based plate； Moving station
0 引言
铅蓄电池是一种技术成熟且安全性能好的能源，工业和生活领域的发展，如低速电动车、通讯设备储能等都离不开铅蓄电池，尤其是电动车是减少大气污染的重要措施。然而在电池极板生产中，行业内规模化运作的企业主要还是依靠劳动力手工操作，特别是电池极板上下料搬运作业，其劳动工作强度大，员工搬运工作效率低下、同时铅粉污染危害健康人员的身体，影响工人的工作寿命[1]，其发展急需产业转型升级。
在国外，工业机器人已经成为一种标准化的设备，形成了一些具有竞争力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德国的KUKA[2-3]，占领国际和国内市场上的大部分份额。在国内，工业机器人受制核心零部件和工艺原因，还在刚起步。目前有沈阳新松、广州数控设备有限公司、哈尔滨博实自动化有限公司等，在系统集成和核心零部件进行了相关的研究和突破，都有了相应的进展。同时国内也涌现了一大批以工业机器人集成技术为中心的公司，进行工业机器人的集成应用，引进国外技术结合实际生产，为制造业、快消行业等服务工作。
工业机器人是一种能模仿人工操作，可编程和自动控制的高端智能装备，具有高自动化、柔性化，是中国实现工业4.0“机器换人”战略的核心，是“中国制造2025”战略的重要组成部分。在铅蓄行业，引入工业机器人，可以代替手工操作的同时可以大大提电池极板生产效率，确保生产安全和提高企业的效益[4]。因此，机器人极板搬运工作站的研究对铅蓄行业实现自动化及转型升级具有重要的现实意义。
1 机器人极板搬运工作站的设计
目前工业机器人在生产中的应用，主要以机器人人工作站和机器人工作生产线的形式进行整合集成应用。搬运机器人工作站，它的主要工作任务针对重物、消耗人力大且动作简单重复的搬运和贮藏工作[5]，如机床上下料、堆料码垛，机床柔性线等。针对电池极板的几何特性分析和工艺要求，进行极板机器人搬运工作站的设计和实现。
1.1 工作站工作原理
机器人极板搬运工作站由搬运机器人、电池极板输送机、极板架和控制系统等组成。机器人工作站以工业机器人为工作核心，极板输送机和极板架都在机器人工作空间内，工作时，电池极板由极板输送机运送至输送机末端定位点，然后等待机器人抓取电池极板，机器人收到相应的传感器信号后，按照预先规划的路径到达极板位置，末端夹取执行器夹手对其进行夹取，然后按照规划轨迹搬运至极板架位置，将极板准确放置于极板架上，代替人工作业。
衡量工业机器人的指标很多，有自由度、工作空间、定位精度及重复定位精度、承载能力及最大工作速度等。极板搬运工作站的机器人选型主要考虑以下几个重要指标：
（1）自由度指标，它是衡量机器人运动灵活程度的参数，是衡量机器人的重要指标，自由度越多，机器人越灵活，一般地工业机器人的自由度为3-6个。
（2）工作空间指标，它指的是机器人的工作范围，机器人腕部或者末端执行器能达到的最大范围，工作空间越大，机器人运动范围越大。在运动控制中，注意机器人的极限位置，注意抓取位置和极限位置的考虑。
（3）承载能力指标，机器人在工作范围内任何位置能承受最大的载荷，取决于负载的质量、速度和加速度等，同时要考虑末端执行器的质量，故机器人承载能力是末端执行器和机械手抓取负载的总和还要大。
（4）定位精度指标，机器人实际位置与理想位置之间的偏差，同时重复定位精度是考验一个机器人同一环境和条件下，重复若干次其分散的偏差值，机器人多次重复到相同位置的偏差越小，机器人的重复定位值越高。
通过这几个指标，极板搬运机器人工作站可以选择工作空间大、承载能力强、定位精度高的6自由度工业机器人作为机器人工作的机器本体，设计相应的安装座，以它为中心来设计整个工作站的安装控件。同时，6自由度的机器人具有较高的灵活性，方便完成极板的抓取和实现复杂路径的轨迹规划。 1.3 末端执行器的设计
工业机器人末端执行器的设计一般是针对作用对象进行非标设计，它是机器人操作与目标对象直接接触进行工作，是机器人的关键部件，它可以扩大工作空间范围，提升工作作业能力具有非常重要的作用。有电磁式、气动式、机械式等，其中机械式夹取可以分为双指式和多指式，其中双指式又分为回转式和平移式。根据电池极板的几何外形，故末端执行器夹具可采用气动驱动的平移型二指手抓对其进行抓取，采用气动驱动具有响应动作快，灵活，动力清洁等优点，其平移范围必须大于极板的横向尺寸。
1.4 电池极板输送机
电池极板输送机由支架，输送链、输送槽、极板定位板等组成，其中输送链安装在机架的若干个链槽内。工作时，三相异步电动机带动主轴运动，然后链式传送机构对放置在其上面的电池极板进行传送。采用链式传动，启动时电池极板运行平稳，无打滑现象，其适用于远距离运输和恶劣环境等优点。
2 控制系统
机器人极板搬运工作站电气控制系统主要的功能实现包括：①工业机器人示教、调试编程与自动运行等功能；②极板末端执行器气缸动作、传感器的信号传递，实现抓取；③工业机器、PLC和人机界面交互和参数的设置；④整个极板搬运工作站的实现。
2.1 极板工作站控制系统组成
极板搬运工作站的控制系统包括：①PLC控制系统；②机器人控制系统；③示教器。其主要系统采用PLC为控制核心，机器人控制器的I/O信号模块与PLC通信模块可以直接或者间接通信，电池极板输送链上的极板信号和极板末端执行器信号也是通过PLC然后传递给机器人，进行信号的传递。工作时，搬运机器人按照人工示教好的程序正常运行，同时受PLC的控制。
（1）机器人示教器，机器人编程有离线编程和示教编程，示教再现是机器人编程应用较广的编程方式。工作人员观察产品生产的工艺流程，然后根据生产实践，对工业机器人的动作位姿、工作路径、运动参数和工艺参数进行调试，按照需要的任务要求完成机器人编程示教。整个编程过程中，机器人示教器是一个重要的编程设备，通过其对机器人进行控制。
（2）机器人控制器其核心是多轴运动控制平台，实现对多轴机器人的关节伺服控制，同时又相应的机器人专用端口和机器人通用端口和PLC进行信息传递，同时设置相应的总线控制和以太网控制端口，方便与外部设备通讯。
（3）PLC控制柜，其以PLC为控制核心，将机器人控制柜、传感系统、人机界面进行集成控制，整个搬运系统的实现主要依赖PLC的逻辑控制的调试与实现，具有非常重要的作用。
2.2 控制软件设计
机器人工作站的控制软件设计以PLC为中心实现。根据搬运工作站的工作原理，首先采用示教器对机器人进行轨迹路径规划，考虑机器人在搬运极板时所需的运动学和动力学性能，以最舒服的姿态来进行工作。将机器人进行轨迹示教完成以后，再根据机器人抓取执行器极板准备、极板到位、进行抓取、机器人进行搬运到极板架放置，放置结束后重新循环开始的整个过程，然后进行程序的设计和实现。整个系统程序的设计包括系统初始化、手动运行、自动运行、信号显示系统和系统复位。
（1）系统初始化：当整个控制系统开机时，按一下初始化按钮，机器人搬运工作站所有的执行动作按照一定的先后顺序恢复到预先的原始位置，使机器人工作站处于准备运行状态，随时准备开始工作。
（2）手动运行：机器人单机示教轨迹路径，完成路径的最佳规划，手动运行是用来对整个机器人各个功能块进行调试时的状态。通过手动运行模块，可以调试抓取执行器的开合动作，以此来进行极板的抓取力度调节。同时也可以实现抓取后整机联合运行调试操作，让机器人、末端执行器和极板输送架达到最佳状态。
（3）自动运行：自动运行状态是整机连续工作状态，一旦参数都设置好后，正常情况下进入自动运行状态，搬运工业机器人能自动完成电池极板的抓取，搬运、放置循环工作，实现生产的自动化，可以通过按钮或者触摸屏上的启动开始，接受停止指令后停止。其程序的设计可以采用步进顺序控制，按照一定的生产流程来实现工业机器人极板的搬运工作。
（4）信号显示系统和复位系统：通过信号显示可以观察系统的运行情况，可以观察其各功能状态，通过信号显示来判断程序运行的进度、状态以及极板的搬运数量。同时一旦出现故障，可以通过报警灯来提示故障问题，通过触摸屏显示系统快速找到故障点，并且可以通过相应的复位系统进行复位。
2.3 人机界面设计
人机界面的设计，主要通过触摸屏和组态来实现搬运机器人控制系统和人的人机交互，通过信息的交流来实现人对搬运机器人的控制。随着信息技术的发展，传统的纯按键操作平台逐渐被触摸屏所取代，可以克服接线繁琐、按钮多等诸多问题。同时，随着组态技术的发展，可以组建适合工业生产相应的控制系统界面，包启动、停止、循环、单机及数等功能，同时可以制作相应效果更好的系统界面。
本文选取昆仑通态的触摸屏为人机交互界面，同时通过昆仑的MCGS组态软件集成实现机器人工作站的控制要求，根据机器人工作站功能及控制任务的要求，配置相应的对象定义，编辑属性和状态特征等，同时制作组态画面来显示状态信号和一系列的人机操作等。人机界面完成控制硬件与软件的联系，建立了操作人员与监控层的控制与沟通平台，在机器人搬运工作中方便灵活。
3 总结
本文开发了一种铅蓄电池的极板搬运机器人工作站，该极板搬运机器人工作站可以实现极板输送、定位抓取、搬运、放置等功能，同时控制系统采用PLC和昆仑人机界面进行控制来实现整机的运行，其操作性高、性能稳定，从而代替人工实现极板的自动搬运，大大提高工作效率。
【参考文献】
[2]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业发展技化发展战略[J].机械工程学报，2014，9（50）：1-13.
[3]顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化，2006，2：6-9.
[4]陈立新，郭文彦.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用[J].机械工程与自动化，2010，3：133-135.