基于运动控制卡的燃料电池双极板涂胶系统
2020-09-08黄培军陈甦欣汪涛杨郡张国庆
黄培军， 陈甦欣， 汪涛， 杨郡， 张国庆
（合肥工业大学 机械工程学院，合肥230009）
0 引 言
燃料电池双极板是燃料电池组中十分重要的部件，它在电池组中起到了分割氧化剂和燃料、传导电流、保持电堆结构稳定性等多方面的作用[1]。在燃料电池双极板的装配过程中，必须要经过密封工序，以保证良好的密封性能，使燃料电池具有较高的安全性、可靠性和耐久性[2-3]。目前对极板的密封主要采用密封条密封的方式，装配时需要人工将密封条严丝合缝地安装到极板的相应位置。由于密封条数量多、形状复杂且极易变形，这种传统装配方式效率低、质量较差、人力成本也逐年增加，迫切需要自动化改造[4]。
点胶和涂胶技术在密封工艺中具有重要的作用，应用十分广泛[5-7]，使用涂胶设备将密封胶涂布在双极板上以完成密封的工艺越来越多地得到应用。某燃料电池双极板涂胶轨迹如图1所示，其中包含外轮廓轨迹及内部交线，要求所涂密封胶质地均匀，精确度要求较高。
图1 某燃料电池双极板涂胶轨迹
本文利用IPC配合固高GTS四轴运动控制卡，通过二维位置比较方法实现涂胶的精确控制，并采用C#编程语言设计上位机软件，实现人机交互控制。
1 机械结构及动作流程
1.1 涂胶设备结构
涂胶设备的机械结构主要由三坐标机器人、涂胶模块、主控柜、工作台组成，设备主体三维模型如图2所示。
1.2 涂胶设备在生产线中的工作流程
涂胶设备安装在生产线上，其工作流程如图3所示，可以分为5步。承载有待涂胶双极板的托盘随传送带进入工作台上后，托盘到位信号被触发，随后具有抬起定位功能的机构将托盘抬起并延时适当时间，待极板稳定后三坐标机器人和涂胶模块开始进入工作状态，按照给定的轨迹对极板进行涂胶，涂胶完成后，托盘承载着双极板到传送带并随传送带流出涂胶工位，涂胶设备回零，等待下一次涂胶。
图2 燃料电池双极板涂胶设备
图3 涂胶设备工作流程循环图
2 控制系统硬件组成
针对涂胶设备的实际应用，电池极板涂胶控制系统采用IPC+运动控制卡的控制方案。该控制系统具有较强的柔性、交互性、稳定性等特点，在诸多工业场景中获得了广泛的应用[4-6,8-10]。
IPC 即工业控制计算机（Industrial Personal Computer），它具有可靠性高、实时性好、扩充性强的特点。本设备采用研华IPC扩展了一块运动控制卡。运动控制卡采用固高科技公司的GTS-400-PV-PC运动控制卡，该卡具有强大的同步控制及插补规划功能，满足许多行业的精确控制功能需求，并且还提供了多种编程语言如VB、VC、C#和Delphi等二次开发的动态链接库文件[10]。
控制方案的硬件结构如图4所示，可以分为人机界面层、运动控制层和执行层共3层。人机界面层提供轨迹编程、设备状态显示、设备控制指令下达等人机交互功能；运动控制层实现对底层设备控制和对传感器信号采集的功能；执行层负责执行机械动作、采集和发送I/O信号等功能。
图4 控制系统硬件结构
3 控制系统软件设计
该控制系统软件运行在IPC上，是控制系统最主要的组成部分，C#作为一种面向对象设计的程序语言，能够进行可视化窗体开发，有着丰富的类库资源，本文采用VS2017开发燃料电池双极板涂胶控制系统软件。
图5 控制系统软件架构
3.1 控制系统软件架构
图5所示为控制系统软件架构。控制系统软件分为应用层、运动控制卡接口层、驱动层共3层。应用层使用C#编程语言在Windows环境下开发应用程序，在应用程序中添加控制卡的动态链接库gts.dll后就可以通过调用板卡动态链接库中的接口函数实现对底层硬件的控制。控制卡的动态链接库文件里面封装了能够对板卡进行基本操作的函数，因此控制系统软件的开发主要是围绕应用程序层进行软件的设计和实现。
3.2 功能模块
功能模块的设计应满足设备的使用要求，该控制软件的功能模块主要功能包括涂胶轨迹数据输入和保存功能、涂胶功能、涂胶过程显示功能。
3.2.1 涂胶轨迹数据输入和保存
对于不同的双极板，其涂胶工艺参数不尽相同，因此，需要提供涂胶轨迹数据输入和保存功能。双极板的涂胶轨迹为直线和圆弧拼构而成，因此，软件只向操作人员开放直线和圆弧轨迹的输入功能。当有新类型的双极板需要涂胶时，操作人员需要通过软件界面输入涂胶轨迹数据，这些数据将被保存在对应的CSV（逗号分隔值）文件中，该类型文件能够用纯文本的方式储存表格数据，在程序中读写方便，十分适合存储用户输入的运动指令。
3.2.2 基于二维位置比较的涂胶功能
涂胶功能需要达到两个要求：1）控制三坐标机器人按照给定的涂胶轨迹运动；2）控制涂胶模块正确涂胶。
运动控制卡只能够接受特定格式的指令，操作人员输入的涂胶轨迹数据不能直接用来控制设备运动，因此需要对输入的涂胶轨迹进行解析。在程序中，使用List
除了控制三坐标机器人按照给定的轨迹运动外，运动控制卡还要对涂胶模块进行控制。
固高科技公司的GTS-400-PV-PC运动控制卡具有二维位置比较功能[11]。如图6所示，设T(Tx,Ty)为平面上的目标点（位置比较点），Mx、My分别为X方向和Y方向上的最大允许位置误差，图中的矩形为目标区域，当系统进入目标区域时，就会触发脉冲或者电平输出信号。
如果在涂胶轨迹上按照相等的间距设置位置比较点，当三坐标机器人依次经过这些位置比较点时，就能够不断触发位置比较输出信号，在接受到位置比较输出信号后，可以设置让点胶阀转动一定的角度，从而挤出一定量的胶液形成胶点。如果位置比较的间隔设置得足够小，就可以连点成线，形成均匀的胶线，完成精准的涂胶。
该功能依赖于给定的位置比较点。保存在CSV文件中的数据只有描述轨迹的必要信息，例如对于直线，只有终点坐标、速度、加速度等参数。因此，需要通过算法按照一定的间隔计算给定轨迹上点的坐标，并且这些点的坐标必须是有顺序的，本文只需要计算直线、圆弧两种情况的坐标点。涂胶执行功能模块的运行流程如图7所示。
3.2.3 涂胶过程显示
涂胶过程显示主要有两个作用：一是在涂胶过程中，每隔0.1 s获取一次X、Y、Z轴的位置数据，并绘制在软件界面的窗口中，显示涂胶的实时位置；二是在输入涂胶轨迹数据时，将输入的涂胶轨迹数据直观地显示在界面窗口中，降低操作人员输入错误轨迹数据的可能性。
图6 二维位置比较原理示意图
3.3 人机交互界面
图7 涂胶功能模块运行流程图
人机交互界面提供操作人员和控制软件的交互通道，可分为3大区域：系统参数设置区、程序输入区、设备状态显示区。人机交互界面如图8所示。
系统参数设置区负责设备的总体控制和系统参数的设置，如X、Y、Z电动机的使能、设备回零、涂胶原点设置、出胶量调节等；程序输入区作用是提供涂胶数据的输入、保存、编辑等功能；设备状态显示区包括涂胶轨迹、限位开关、三坐标机器人位置等数据的显示，能够对系统状态进行监测。
4 结 论
图8 人机交互界面
本文采用IPC+运动控制卡的控制方式对燃料电池双极板涂胶系统进行了设计，上层采用C#语言对上位机软件进行了编写，经过试验验证，该系统能够满足燃料电池双极板涂胶的要求，适应对不同形状的双极板密封工作，极大地提高了电池双极板的装配效率和装配质量，具有一定的应用推广价值。后期可进一步优化涂胶迹线之间的搭接工艺，完善涂胶路径细节，实现对密封胶更精确的控制，同时提高涂胶微调精度。
