基于工業機器人的極板搬運工作站的設計與實現

王哲祿

【摘 要】在中國制造2050和工業4.0“機器換人”的大背景下，中國工業生產正由制造向智造轉型升級。本文在鉛蓄電池極板生產線中引入工業機器人，開發了一種極板搬運工作站，并進行了PLC控制系統的設計，大大提電池極板生產效率，實現自動化。

【關鍵詞】工業機器人；電池極板；搬運工作站

Design and implementation of plates handling workstation based on industrial robot

WANG Zhe-lu

（Department of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou Zhejiang 325035， China）

【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

鉛蓄電池是一種技術成熟且安全性能好的能源，工業和生活領域的發展，如低速電動車、通訊設備儲能等都離不開鉛蓄電池，尤其是電動車是減少大氣污染的重要措施。然而在電池極板生產中，行業內規?；\作的企業主要還是依靠勞動力手工操作，特別是電池極板上下料搬運作業，其勞動工作強度大，員工搬運工作效率低下、同時鉛粉污染危害健康人員的身體，影響工人的工作壽命[1]，其發展急需產業轉型升級。

在國外，工業機器人已經成為一種標準化的設備，形成了一些具有競爭力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德國的KUKA[2-3]，占領國際和國內市場上的大部分份額。在國內，工業機器人受制核心零部件和工藝原因，還在剛起步。目前有沈陽新松、廣州數控設備有限公司、哈爾濱博實自動化有限公司等，在系統集成和核心零部件進行了相關的研究和突破，都有了相應的進展。同時國內也涌現了一大批以工業機器人集成技術為中心的公司，進行工業機器人的集成應用，引進國外技術結合實際生產，為制造業、快消行業等服務工作。

工業機器人是一種能模仿人工操作，可編程和自動控制的高端智能裝備，具有高自動化、柔性化，是中國實現工業4.0“機器換人”戰略的核心，是“中國制造2025”戰略的重要組成部分。在鉛蓄行業，引入工業機器人，可以代替手工操作的同時可以大大提電池極板生產效率，確保生產安全和提高企業的效益[4]。因此，機器人極板搬運工作站的研究對鉛蓄行業實現自動化及轉型升級具有重要的現實意義。

1 機器人極板搬運工作站的設計

目前工業機器人在生產中的應用，主要以機器人人工作站和機器人工作生產線的形式進行整合集成應用。搬運機器人工作站，它的主要工作任務針對重物、消耗人力大且動作簡單重復的搬運和貯藏工作[5]，如機床上下料、堆料碼垛，機床柔性線等。針對電池極板的幾何特性分析和工藝要求，進行極板機器人搬運工作站的設計和實現。

1.1 工作站工作原理

機器人極板搬運工作站由搬運機器人、電池極板輸送機、極板架和控制系統等組成。機器人工作站以工業機器人為工作核心，極板輸送機和極板架都在機器人工作空間內，工作時，電池極板由極板輸送機運送至輸送機末端定位點，然后等待機器人抓取電池極板，機器人收到相應的傳感器信號后，按照預先規劃的路徑到達極板位置，末端夾取執行器夾手對其進行夾取，然后按照規劃軌跡搬運至極板架位置，將極板準確放置于極板架上，代替人工作業。

1.2 工作站機器人選型

衡量工業機器人的指標很多，有自由度、工作空間、定位精度及重復定位精度、承載能力及最大工作速度等。極板搬運工作站的機器人選型主要考慮以下幾個重要指標：

（1）自由度指標，它是衡量機器人運動靈活程度的參數，是衡量機器人的重要指標，自由度越多，機器人越靈活，一般地工業機器人的自由度為3-6個。

（2）工作空間指標，它指的是機器人的工作范圍，機器人腕部或者末端執行器能達到的最大范圍，工作空間越大，機器人運動范圍越大。在運動控制中，注意機器人的極限位置，注意抓取位置和極限位置的考慮。

（3）承載能力指標，機器人在工作范圍內任何位置能承受最大的載荷，取決于負載的質量、速度和加速度等，同時要考慮末端執行器的質量，故機器人承載能力是末端執行器和機械手抓取負載的總和還要大。

（4）定位精度指標，機器人實際位置與理想位置之間的偏差，同時重復定位精度是考驗一個機器人同一環境和條件下，重復若干次其分散的偏差值，機器人多次重復到相同位置的偏差越小，機器人的重復定位值越高。

通過這幾個指標，極板搬運機器人工作站可以選擇工作空間大、承載能力強、定位精度高的6自由度工業機器人作為機器人工作的機器本體，設計相應的安裝座，以它為中心來設計整個工作站的安裝控件。同時，6自由度的機器人具有較高的靈活性，方便完成極板的抓取和實現復雜路徑的軌跡規劃。

1.3 末端執行器的設計

工業機器人末端執行器的設計一般是針對作用對象進行非標設計，它是機器人操作與目標對象直接接觸進行工作，是機器人的關鍵部件，它可以擴大工作空間范圍，提升工作作業能力具有非常重要的作用。有電磁式、氣動式、機械式等，其中機械式夾取可以分為雙指式和多指式，其中雙指式又分為回轉式和平移式。根據電池極板的幾何外形，故末端執行器夾具可采用氣動驅動的平移型二指手抓對其進行抓取，采用氣動驅動具有響應動作快，靈活，動力清潔等優點，其平移范圍必須大于極板的橫向尺寸。

1.4 電池極板輸送機

電池極板輸送機由支架，輸送鏈、輸送槽、極板定位板等組成，其中輸送鏈安裝在機架的若干個鏈槽內。工作時，三相異步電動機帶動主軸運動，然后鏈式傳送機構對放置在其上面的電池極板進行傳送。采用鏈式傳動，啟動時電池極板運行平穩，無打滑現象，其適用于遠距離運輸和惡劣環境等優點。

2 控制系統

機器人極板搬運工作站電氣控制系統主要的功能實現包括：①工業機器人示教、調試編程與自動運行等功能；②極板末端執行器氣缸動作、傳感器的信號傳遞，實現抓??；③工業機器、PLC和人機界面交互和參數的設置；④整個極板搬運工作站的實現。

2.1 極板工作站控制系統組成

極板搬運工作站的控制系統包括：①PLC控制系統；②機器人控制系統；③示教器。其主要系統采用PLC為控制核心，機器人控制器的I/O信號模塊與PLC通信模塊可以直接或者間接通信，電池極板輸送鏈上的極板信號和極板末端執行器信號也是通過PLC然后傳遞給機器人，進行信號的傳遞。工作時，搬運機器人按照人工示教好的程序正常運行，同時受PLC的控制。

（1）機器人示教器，機器人編程有離線編程和示教編程，示教再現是機器人編程應用較廣的編程方式。工作人員觀察產品生產的工藝流程，然后根據生產實踐，對工業機器人的動作位姿、工作路徑、運動參數和工藝參數進行調試，按照需要的任務要求完成機器人編程示教。整個編程過程中，機器人示教器是一個重要的編程設備，通過其對機器人進行控制。

（2）機器人控制器其核心是多軸運動控制平臺，實現對多軸機器人的關節伺服控制，同時又相應的機器人專用端口和機器人通用端口和PLC進行信息傳遞，同時設置相應的總線控制和以太網控制端口，方便與外部設備通訊。

（3）PLC控制柜，其以PLC為控制核心，將機器人控制柜、傳感系統、人機界面進行集成控制，整個搬運系統的實現主要依賴PLC的邏輯控制的調試與實現，具有非常重要的作用。

2.2 控制軟件設計

機器人工作站的控制軟件設計以PLC為中心實現。根據搬運工作站的工作原理，首先采用示教器對機器人進行軌跡路徑規劃，考慮機器人在搬運極板時所需的運動學和動力學性能，以最舒服的姿態來進行工作。將機器人進行軌跡示教完成以后，再根據機器人抓取執行器極板準備、極板到位、進行抓取、機器人進行搬運到極板架放置，放置結束后重新循環開始的整個過程，然后進行程序的設計和實現。整個系統程序的設計包括系統初始化、手動運行、自動運行、信號顯示系統和系統復位。

（1）系統初始化：當整個控制系統開機時，按一下初始化按鈕，機器人搬運工作站所有的執行動作按照一定的先后順序恢復到預先的原始位置，使機器人工作站處于準備運行狀態，隨時準備開始工作。

（2）手動運行：機器人單機示教軌跡路徑，完成路徑的最佳規劃，手動運行是用來對整個機器人各個功能塊進行調試時的狀態。通過手動運行模塊，可以調試抓取執行器的開合動作，以此來進行極板的抓取力度調節。同時也可以實現抓取后整機聯合運行調試操作，讓機器人、末端執行器和極板輸送架達到最佳狀態。

（3）自動運行：自動運行狀態是整機連續工作狀態，一旦參數都設置好后，正常情況下進入自動運行狀態，搬運工業機器人能自動完成電池極板的抓取，搬運、放置循環工作，實現生產的自動化，可以通過按鈕或者觸摸屏上的啟動開始，接受停止指令后停止。其程序的設計可以采用步進順序控制，按照一定的生產流程來實現工業機器人極板的搬運工作。

（4）信號顯示系統和復位系統：通過信號顯示可以觀察系統的運行情況，可以觀察其各功能狀態，通過信號顯示來判斷程序運行的進度、狀態以及極板的搬運數量。同時一旦出現故障，可以通過報警燈來提示故障問題，通過觸摸屏顯示系統快速找到故障點，并且可以通過相應的復位系統進行復位。

2.3 人機界面設計

人機界面的設計，主要通過觸摸屏和組態來實現搬運機器人控制系統和人的人機交互，通過信息的交流來實現人對搬運機器人的控制。隨著信息技術的發展，傳統的純按鍵操作平臺逐漸被觸摸屏所取代，可以克服接線繁瑣、按鈕多等諸多問題。同時，隨著組態技術的發展，可以組建適合工業生產相應的控制系統界面，包啟動、停止、循環、單機及數等功能，同時可以制作相應效果更好的系統界面。

本文選取昆侖通態的觸摸屏為人機交互界面，同時通過昆侖的MCGS組態軟件集成實現機器人工作站的控制要求，根據機器人工作站功能及控制任務的要求，配置相應的對象定義，編輯屬性和狀態特征等，同時制作組態畫面來顯示狀態信號和一系列的人機操作等。人機界面完成控制硬件與軟件的聯系，建立了操作人員與監控層的控制與溝通平臺，在機器人搬運工作中方便靈活。

3 總結

本文開發了一種鉛蓄電池的極板搬運機器人工作站，該極板搬運機器人工作站可以實現極板輸送、定位抓取、搬運、放置等功能，同時控制系統采用PLC和昆侖人機界面進行控制來實現整機的運行，其操作性高、性能穩定，從而代替人工實現極板的自動搬運，大大提高工作效率。

【參考文獻】

[1]王貴民，馬曉建，趙信正.蓄電池生產線極板上料裝置[J].輕工機械，2014，3（32）：47-50.

[2]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業發展技化發展戰略[J].機械工程學報，2014，9（50）：1-13.

[3]顧震宇.全球工業機器人產業現狀與趨勢[J].機電一體化，2006，2：6-9.

[4]陳立新，郭文彥.工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用[J].機械工程與自動化，2010，3：133-135.

[5]王海霞，李志宏，吳清鋒.工業機器人在制造業中的應用和發展[J].機電工程技術，2015，10（44）：112-114.

[責任編輯：王楠]