基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统

潘 桓， 史佳超， 王庆东

1.上海电气自动化集团 上海 200070 2.上海空间电源研究所 上海 200245

1 开发背景

热电池生产过程中，由于电池材料的性能要求，生产环境温度不高于－36℃。生产工人不能长时间在这一环境下工作，因此设计自动设备来替代人工操作是大势所趋［1-4］。

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统就是针对这种特殊要求而开发的，整个系统要求称量速度快，计量精确，称量环节实现自动化，操作员只负责上下料工作［5-7］。

2 系统用途

多工位热电池粉料自动称量系统主要用于热电池粉料的称量，可同时实现热电池单体备用加热粉、正极粉、隔离粉、负极粉的自动称量，并可对称量数据进行实时存储。

3 组成机构

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统由粉料自动称量机构、粉碗自动装盘机构、粉盘快速输出机构、机器人单元等组成，如图1所示。称量系统周边与顶部增设遮盖，防止粉尘侵入。各机构由电气控制系统控制协同工作，完成送料、称量、输出、物流等自动处理流程［8-10］。粉料自动称量机构共有五个，正常情况下有四个在运行、一个备用，可称量四种粉料。通过冗余设计，可以保证称量系统在某个粉料自动称量机构发生故障后仍可以使用备用机构继续运行。

粉料自动称量机构只需加入空料盘和粉料，就能根据称量系统设定的称量值和精度等级自动完成称粉工作，并将料盘送到指定地点，等待取走。机器人单元快速搬运称量系统成品，可使称量系统高效运行，实现操作人员的离线工作方式，并对成品料盘进行按组排列。

图1 多工位热电池粉料自动称量系统组成机构

4 机械设计

4.1 粉料自动称量机构

粉料自动称量机构由自动振粉系统、空粉碗自动供给机构、粉碗自动切换机构和称量设备组成，如图2所示。人工将装有固定数量的一叠空粉碗放到空粉碗自动供给机构位置。在电气控制系统控制下，粉碗落入粉碗自动切换机构中。该机构将空粉碗切换至自动称量位置，再由自动振料系统实现粉料的分离，直至称量出所需粉料的量，自动振料系统停止振动。粉碗自动切换机构将称量合格的粉碗切换至机器人抓取位置，以供机器人完成抓取动作。当称量不合格时，机器人抓取不合格的粉碗，将其放进废料回收机构。

4.1.1 自动振粉系统

自动振粉系统利用直线振动器，将料仓中的粉料均匀地振动分离，如图3所示。料仓内设有滤网，可过滤粘结的粉料，从而保证粉料颗粒的均匀一致性。滤网可以被快速更换，并且设有出料阀门，可根据不同的粉料需求调节出料阀门，以达到粉料的需求量。此外，还设有低粉报警传感器，当粉量到达预定位置时，传感器报警提示，人工进行加料。直线振动器滤嘴口采用316不锈钢材料，其余部位采用304不锈钢材料。

图2 粉料自动称量机构

图3 自动振粉系统

4.1.2 空粉碗自动供给机构

空粉碗自动供给机构利用夹爪气缸夹取粉碗，顶升气缸接取粉碗，通过夹爪气缸与顶升气缸配合动作实现粉碗的逐个分离，如图4所示。人工拿取预先装好的一叠粉碗，装载到固定位置。拔下插销片，粉碗落入夹爪气缸夹具中。电气控制系统控制气缸动作，完成粉碗的自动供给。

4.1.3 粉碗自动切换机构

粉碗自动切换机构利用分度盘将一分位的空粉碗旋转到二分位的称量位置，待粉料称量完成后，再自动旋转至三分位及四分位的抓取位置，等待机器人完成抓取动作。在一分位旋转过后，分度盘的后续空分位相继到达一分位位置，循环接取空粉碗。粉碗自动切换机构如图5所示。

图4 空粉碗自动供给机构

图5 粉碗自动切换机构

4.1.4 称量设备

称量设备中，由计算机控制高精度电子天平来完成称量任务，如图6所示。称量设备单独设计天平支撑，防止因振动带来的称量不准确，减小称量不合格率。

4.2 粉碗自动装盘机构

粉碗自动装盘机构需要在单轴机器人的配合下完成工作，如图7所示。工作时，先由人工将固定数量的一叠粉盘放至固定位置，单轴机器人将粉盘上升至粉碗自动装盘初始位置，六轴机器人将称量完成的粉碗抓取放进粉盘，完成自动装盘。每装好一盘，由机器人取走，放入粉盘快速输出机构指定位置。空粉盘自动上升至装盘初始位置，循环进行。

图6 称量机构

图7 粉碗自动装盘机构

4.3 粉盘快速输出机构

机器人将装好粉碗的粉盘放至粉盘快速输出机构的初始位置。待放满两叠之后，气缸快速推动粉盘，到达人工取盘位置。随后，工人取出粉盘到下一工位。粉盘快速输出机构如图8所示。

图8 粉盘快速输出机构

4.4 机器人单元

机器人单元由发那科LR-MATE 200i D六轴机器人及其固定框架组成。为方便进入使用室，框架在设计上采用易于分拆和安装的结构，可在短时间内完成拆卸和安装，如图9所示。

图9 机器人单元

5 电气控制系统

整个电气控制系统由多个独立运行的部分组成，包括粉料自动称量控制系统、粉碗自动装盘控制系统、粉盘快速输出控制系统、机器人控制系统、可编程序控制器（PLC）控制系统、上位机监控系统等。

PLC作为传统的工业控制技术，正由最初的逻辑控制向过程控制发展。随着系统复杂性的提高，PLC正在走向运动控制和以工业总线技术为基础的分散控制，这将是PLC技术发展的主要发展方向。PLC控制技术虽然面临着来自其它自动化控制系统的挑战，但同时也在吸收其它控制系统的优点，互相融合，不断创新，在工业各领域将得到更广泛的应用。

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统采用PLC进行控制，PLC通过串口和上位机监控系统进行连接。PLC的五个串口分别连接五套称量模块，通过模拟量输入输出模块连接五套送料控制器，进而控制送料机构的送料速度。分度盘、粉碗料库、粉盘料库、出料机构均采用开关量进行控制。机器人和PLC通过Device Net总线进行连接。

进行粉料称量控制时，PLC通过模拟量输入输出模块控制送料控制器的速度，以调节送料机构下料的速度。称量模块通过串口连接PLC，PLC通过串口读取称量模块上料的数据，然后和设定值进行判断比较，再通过控制模拟量模块电压的输出来调节自动振粉系统，实现闭环控制。PLC通过Device Net总线和机器人进行连接通信，PLC可以读取机器人当前的状态，并控制机器人去取粉盘、成品等。现场供电为交流380 V三相五线制，并配置供气气源，管径根据实际需求设定，并增设一道气路用于吹扫清理现场。

6 工作流程及故障处理方式

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统工作流程如图10所示。

图10 多工位热电池粉料自动称量系统工作流程

6.1 粉碗抓取流程

粉碗从料库落下，分度盘旋转90°，粉碗进入一分位进行称量。称量完毕后，分度盘继续旋转90°，粉碗进入二分位通知机器人抓取。若后面一个粉碗称量完毕，而三分位没有粉碗，则分度盘继续旋转90°，粉碗进入三分位并通知机器人抓取。机器人可以根据实际情况进行抓取。若一侧的两个分度盘三分位都有粉碗，则机器人一次性将两个粉碗一起抓取。若一侧的两个分度盘三分位仅一个有粉碗，则机器人等待两个分度盘三分位都有粉碗时一起抓取。若一侧的两个分度盘三分位都没有粉碗，则机器人分别抓取两个分度盘二分位的粉碗。粉碗抓取示意图如图11所示。

6.2 加料流程

每个粉料自动称量机构前方都加装一个加料按钮盒，按钮盒由一个带灯的绿色按钮指示灯和一个黄色指示灯组成。正常运行时，绿色按钮指示灯常亮，黄色指示灯灭。少料时，绿色按钮指示灯常亮，黄色指示灯闪烁。料用尽时，绿色按钮指示灯灭，黄色指示灯常亮。

图11 粉碗抓取示意图

当看见某个工位黄色指示灯闪烁或常亮时，表示该工位缺料或断料，此时可以打开安全门进行加料。加料完毕后关上安全门，按下绿色按钮指示灯完成加料。粉料自动称量机构缺料表示粉碗料库缺料或振动输送器缺粉，粉盘料库工位缺料仅表示对应工位粉盘缺料。

6.3 粉盘料库抓取流程

粉盘料库分左右两个，机器人一旦开始抓取某个料库的粉盘，就会将该料库的粉盘优先抓取完毕后再换到另一个粉盘进行抓取。左右两个粉盘料库与左右两组出料机构对应，以便人工进行加料，与机器人互不干涉。

6.4 人机交互界面

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统人机交互界面如图12所示，借助各按钮和指示灯进行控制和状态反馈，使控制系统正常工作。人机交互界面各按钮具体功能见表1。

图12 人机交互界面

表1 人机交互界面按钮功能

（1）手动模式。在手动模式下，可以有以下功能：① 手动单独执行某一个称量设备，并显示结果；②手动测试机器人夹爪；③ 手动初始化机器人；④手动操作托盘料库上下移动。

（2）自动模式。只有在自动模式下，才可以正常启动系统。

（3）初始化系统。用于检测系统状态、检测机器人原点位置、复位气缸与夹爪等。

（4）系统停止。按下系统停止按钮后，机器人将该周期的四个粉碗和托盘放入出料机构，然后系统停止运行。

（5）暂停和继续。按下暂停按钮，机器人在当前位置暂停，程序中断。再按下继续按钮，机器人从中断的位置继续运行程序。

6.5 灯塔

系统借助灯塔对整体工作状态进行显示，具体包括红、黄、绿三色指示灯与蜂鸣，见表2。

表2 灯塔显示与对应工作状态

7 结论

基于工业机器人的多工位热电池粉料自动称量系统性能稳定、界面友好、工作效率高，满足各项指标要求，已通过航天工业工程验收，并投入了实际生产，开拓了工业机器人在航天工业新能源柔性制造领域的应用。