动力电芯上线搬运机器人的设计

王大治，石 刚，李永庆

（中国科学院沈阳自动化研究所 工业控制网络与系统研究室，沈阳 110016）

0 引言

动力电池组作为新能源汽车的核心部件，从成本构成上来说大概占据汽车总成本的三分之一左右。我国动力电池组生产线基本是采用半自动+手动方式，导致一次性产品合格率始终不能进一步提高，因此动力电池组的成本和产品合格率严重制约着新能源汽车的发展和推广。设计研发动力电池组自动化装配生产线有助于提高动力电池组的生产效率和产品合格率，从而有效的降低动力电池组的成本及企业的人工成本。

搬运机器人作为生产线中不可或缺的一部分，发挥着极其重要的作用，大致可分为直角坐标型，极坐标型，圆柱坐标型以及多关节型[1]，本文即是根据动力电池组自动化生产线中对电芯上线的要求设计完成的一种直角坐标型搬运机器人。机器人的控制系统通过伺服驱动器实现对伺服电机的控制，并实现对搬运机器人抓放位置的精确控制，同时通过应用气动抓取机构具有的结构简单、动作迅速等特点来实现电芯快速、精准的上线工艺流程。

1 搬运机器人的整体结构设计

搬运机器人主要功能是从电芯储存料框中抓取两个电芯并将其搬运放置于输送线体转运托盘上的定位卡槽中，搬运机器人的结构与电芯储存料框、输送线体空间布局如图1所示。搬运机器人的机械结构主要由抓取机构、移动机构及支架三部分构成。抓取机构采用气动机械手爪实现抓取动作，具有结构简单、节能环保等优点。移动机构是基于直线运动单元组成的X、Y、Z三轴移动机构，X轴和Y轴是水平面内的运动轴，Z轴是上下运动轴，抓取机构即安装于Z轴上。支架主要由铝合金型材及连接件构成并起支撑作用，支架安装时需打地脚固定在水平地面上，以此增加整个系统运动的安全性。

图1 搬运机器人结构图

1.1 抓取机构的设计

搬运机器人抓取机构以气动作为驱动力来实现对电芯的抓取，主要由宽型气爪1、气爪2、夹爪手指3、夹爪手指防护板4、方形法兰5、L型法兰6等组成。由于动力电芯存在中间鼓包现象，因此夹爪手指形状进行了优化设计并采取了防护措施，搬运机器人抓取机构如图2所示。由于电芯间的中心距由电芯储存料框中的80mm增加到转运托盘定位卡槽中的140mm，因此设计抓取机构的工作原理是抓取电芯时，宽型气爪1合拢，气爪2打开并同时抓取2个电芯，当机器人抓取电芯移动到输送线体转运托盘定位卡槽上方100mm时宽型气爪2打开并垂直下降至电芯放置于定位卡槽时，气爪2打开放下电芯，完成搬运机器人抓取机构的动作流程。

图2 抓取机构结构图

1.2 移动机构的设计

搬运机器人移动机构主要由直线运动单元、驱动部分、传动部分等构成的X、Y、Z三轴框架式机构，其中每一轴都包括直线运动单元、驱动电机及减速机。直线运动单元具有高可靠性、高速度和高精度的特点且可用于恶劣的工作环境，可长时间连续工作，操作维修方便[2]。常用的直线运动单元主要有：丝杠螺母副，齿轮齿条副，同步齿型带等[3]。由于抓取对象动力电芯的质量为1kg，因此综合考虑精度、运动范围、经济成本等因素选取同步齿形带型直线运动单元，其主要由支撑载体的铝型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及带动滑块做高速运动的同步带组成[4]。直线运动单元的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步齿形带运动，从而带动滑块运动。

移动机构的水平方向（X轴、Y轴方向）采用龙门式结构[5]，为抓取机构提供了足够的运动空间且能承受较大的载荷。X轴由伺服电机驱动两个通过传动轴连接的直线运动单元来实现运动，其运动方向与输送线体转运托盘运动方向一致；Y轴直线运动单元安装于X轴两个直线运动单元的运动滑块上，由伺服电机带动减速机驱动来实现运动；而竖直方向（Z轴）的直线运动单元安装于Y轴直线运动单元的运动滑块上，由具有断电自锁功能的抱闸型伺服电机带动减速机驱动来实现运动。

2 控制系统总体设计

控制系统的总体框架结构如图3所示，通过西门子Portal软件编写系统控制程序并下载到PLC中，PLC通过控制伺服驱动器实现对伺服电机的控制，进而实现对搬运机器人的运动进行控制[6]。

人机交互界面（HMI）用于实现机器人的实时状态信息以及运动信息的显示，同时实现对搬运机器人的运动进行试教以及手自动控制功能。

工控机主要实现搬运机器人系统的编程、下载以及在线调试功能。

传感器与执行器主要用于实现对物料及机器人本身的位置检测功能并实现预定动作流程。

图3 控制系统总体框架结构图

2.1 控制系统硬件设计

工业上为保证自动化生产线能够运行稳定、高效、安全，总线控制系统以及各个工位专机控制系统普遍采用PLC控制器来实现控制功能。目前市场上应用比较广泛的PLC控制器主要有德系、美系以及日系等产品，本设计采用德系西门子1200系列PLC控制器作为搬运机器人的主控制器，该PLC具有较强的运动控制、数据处理以及抗干扰等能力。

控制系统硬件结构如图4所示，PLC控制器作为核心部件，主要完成系统的整体逻辑控制、任务调度以及执行控制、限位开关以及原点传感器的检测控制、电磁阀以及气缸等执行元件的执行控制、伺服驱动器的执行控制、人机交互界面的通信与控制等功能。

X、Y、Z轴伺服驱动器用以接收PLC控制器的实时控制指令，进而完成相关运动控制的任务以及细节，包括脉冲以及方向的输出、加速度以及减速度的控制、伺服电机的通信配置与逻辑控制、伺服电机的速度以及方向的运动反馈等。

原点传感器与限位开关主要完成位置的精确定位，辅助实现系统精确定位与运动控制。

料件检测传感器主要实现上下料的物件检测，辅助实现机器人系统的启动运行与逻辑控制上料功能。

电磁阀与气缸等启动执行元件，具体实现物料的抓取、翻转、下料以及料框的运行功能的执行。

图4 控制系统硬件结构图

2.2 控制系统软件设计

控制系统软件设计基于Portal平台进行开发，采用模块化的编程思想进行设计。软件系统由主程序MAIN模块、初始化模块、原点控制模块、校点数据控制模块、自动数据控制模块、模拟控制模块、ABS控制模块、系统启停控制模块、速度控制模块、自动运行模块、手动控制模块等模块部分组成，控制系统软件结构图如图5所示。

图5 控制系统软件结构图

主程序MAIN模块为主线程对所有软件模块、系统函数块以及数据块进行调用，完整的实现机器人高效的任务调度以及精准的目标抓取与运行，完成生产线系统分配的任务。

初始化模块完成机器人系统各个轴组的使能、停止、复位以及当前位置数据采集等功能模块的调度以及优化处理。

原点控制模块完成了机器人系统归零点的任务调度以及精确的路径规划。

校点数据控制模块完成各个试教点位置的读取以及定位后的录入，确保机器人上下料功能正常有序、精准完成。

自动数据控制模块完成机器人系统物料传感器实时采集功能与系统自动运行功能的无缝连接，实现物料优化调度与精确抓取。

模拟控制模块主要完成机器人简洁优化的试教功能，免除繁琐的调度任务。

ABS控制模块实现机器人Z轴的运动抱死功能的合理控制。

系统启停控制模块实现机器人系统的开机、暂停以及关机功能。

速度控制模块完成机器人轴组间精确而协同的速度控制算法的优化设计，实现机器人系统各个轴组之间的速度匹配与优化处理。

自动运行控制模块作为机器人系统的核心子模块，配合主任务实现机器人系统任务的优化调度功能，包括系统的路径规划与优化、轴组速度的二次优化、机器人轴组执行机构的优化调度以及现场执行器的优化处理。

手动控制模块主要完成机器人的手动调试功能以及系统故障处理功能等。

3 HMI软件系统设计

HMI软件系统基于KincoHMIware平台开发设计，用于实现机器人的实时状态信息以及运动信息的显示，同时实现对机器人的运动试教以及手自动控制功能。HMI软件系统设计框图如图6所示。

图6 HMI软件系统设计框图

HMI软件系统设计主要包括原点画面、手动画面、自动画面以及参数画面的设计。手持示教器与PLC通过MODBUS总线通信，实现数据的实时传输与机器人的精确配置与控制。

原点画面操作用于在伺服无报警且限位正常时，实现机器人的归原点操作，为机器人确定一个物理基准点；手动画面实现现场机器人调试、试教以及故障处理等操作功能；自动画面实现机器人自动运行配置功能、模式配置功能以及状态显示功能，机器人HMI自动画面设计如图7所示。参数画面完成机器人试教点的录入功能以及机器人的模拟运行功能。

图7 HMI自动画面设计

4 结语

本文针对动力电池组自动化装配生产线需要实现电芯自动上料的需求，设计了3自由度直角坐标型搬运机器人。机器人的控制系统以PLC为核心，通过控制伺服驱动器来实现机器人的精确运动，再利用气动机械手的抓取动作完成电芯的自动上料流程。同时以触摸屏作为人机交互界面，实现了机器人的手自动控制功能。搬运机器人在企业生产现场的实物如图8所示，投入到企业的实际生产过程后，提高了整条生产线的生产效率、产品合格率及自动化程度，满足了电池生产企业现代化生产需求，具有良好的应用前景。

图8 搬运机器人现场实物