机器人在电力电容器元件包封中的应用

冯英龙， 罗 军

（西安航天动力试验技术研究所， 陕西 西安 710100）

0 引言

随着生产力的不断进步， 工业机器人逐渐取代了人力劳动，已经应用到了汽车行业、电子电器行业、工程机械等多个领域，不仅保证了产品质量，提高了生产效率，同时避免了大量的工伤事故，将人力解放了出来。国内电力电容器行业目前正在更新生产工艺， 力求改变过去陈旧的生产方式， 提高自动化生产水平， 积极向德国工业4.0 方向转变。 针对上述情况，本文提出了将机器人应用到电力电容器元件包封生产领域的思想， 通过机器人搬运技术的应用取代人工作业，实现熔丝制作、芯子包封及元件粘接三种工艺流程。 机器人在电容器元件包封中的有效应用是电力电容器行业发展的一次重要飞跃， 具有非常重大的意义。

1 系统组成及原理

如图1 所示， 电容器芯子包封机器人工作站由芯子上料台、绝缘纸壳放置台、预包装台、胶带制作台、熔丝制作机、 包封整形台、1 号搬运机器人、2 号搬运机器人、包封下料台等组成。 通过引入机器人控制技术以及真空吸附技术，取代人工进行绝缘纸壳、芯子、熔丝、元件的抓取和放置，最终完成如图2 所示的元件包封。

具体工艺流程如下： 设备启动→各工位初始化→真空吸盘将上料台绝缘纸壳放置到位→1 号机器人夹取纸壳放置到预包装台→1 号机器人取芯子放置到预包装台→预包装台定位完毕→1 号机器人取预包装产品放置到包封台→包封台定位完毕→2 号机器人取熔丝固定到包封台→胶带制作台粘胶带固定熔丝→胶带刷平→2 号机器人取包封台产品→包封台固定装置打开→2 号机器人取成品元件放置到下料台→下料台输送产品到指定位置→依次循环。

图1 设备组成图

图2 产品结构图

2 机器人硬件的选取

根据所抓取元件及气动夹具的重量， 结合工作现场回转半径的计算，选取两台ABB 生产的IRB-120 型机器人。 其具有结构紧凑、重量轻，易于集成，可靠性强的特点。 主要规格参数如表1 所示。

表1 IRB- 120 机器人参数表

2.1 机器人夹具的设计

将1 号机器人和2 号机器人夹具设计成二合一的气动机构，可以实现两种方式的夹取。其中1 号机器人夹具先完成绝缘纸壳的抓取，然后通过电磁阀换向，反向完成电容器芯子的抓取。 2 号机器人夹具首先完成熔丝的抓取， 然后通过电磁阀换向， 反向完成整个成品元件的抓取。 夹具结构如图3 和图4 所示。

图3 机器人1 气动夹具结构图

图4 机器人2 气动夹具结构图

2.2 机器人I/O 板的应用

根据1 号机器人和2 号机器人与外部设备之间输入输出点位的计算结果， 两台IRB-120 型机器人需分别外配2 块集成了16 个数字量输入信号和16 个数字量输出信号DSQC652 板卡与PLC 控制器进行I/O 信号交互[2]，实现多个中间过程的控制。 第一块板卡在机器人控制柜主板上地址设计时定为10，第二块板卡与第一块板卡之间通过DeviceNet 现场总线连接， 端子X5 的6～12 的跳线来决定模块的地址。 如图5 所示， 将X5 端子上6、9、11、12 短接，DeviceNet 获得网络地址为1×20+1×21+0×22+1×23+0×24+0×25=11，即第二块DSQC652 板卡对应的机器人控制柜主板地址为11[1]。 通过地址的设定，实现了机器人主板与外配板卡的通讯连接，使两者融为一体，达到了集中控制的目的。

图5 DeviceNet 总线连接图

3 机器人应用软件的开发[1]

机器人应用软件的开发包括主程序（main）、初始化程序（rInitAll）、路径程序、中断程序（tMonitorDI1）、回退程序等的开发和编写。

3.1 机器人工作程序的编写

主程序通过WHILE 条件判断指令、IF 条件判断指令等完成，具体程序编写事例如下：

按照相应运动轨迹和工艺流程，1 号机器人和2 号机器人分段编写出各自的路径程序。 程序内部由置位指令（SET）、复 位 指 令（RESET）、机 器 人 运 动 指 令（MOVJ、MOVL、Wait Time 等）、I/O 控制指令等组成， 具体编写应符合现场应用场合。

3.2 机器人回退程序的编写

由于设备四周遮挡过多， 机器人无法从任意点处直接回到设定原点，每次需手动将机器人调整回原点，这样造成了设备操作复杂，且浪费了工作时间。 为此，设计时开发了机器人回退程序， 保证了机器人从任意点处自动回归原点。 程序中定义变量m，通过Incr m（加1）指令实现每条路径语句的计数，编程时通过For，Test，Case 指令实现回退程序的编写。 具体程序如下：

4 机器人的应用与原工艺对比

电力电容器元件包封原始加工工艺，即芯子包封、熔丝制作及放置、芯子粘接过程中需要三台设备，另配三个人来完成。本文通过引进两台搬运机器人之后，只需一个人来完成元件包封的生产流程，大大节约了人力资源。如表2 所示，过去加工每件产品大约需要20 秒，即每小时生产180 件产品。 目前设备加工每件产品大约只需15 秒钟完成，即每小时可生产240 件产品。 按照每天8 小时工作时间计算，引进机器人之后，每天可多生产480 件，经过数据对比，计算可得提高生产效率为： （240×8-180×8）/180×8×100%≈33.3%。

表2 新工艺与旧工艺对比参数表

5 结论

经过在上海思源电器有限公司和山东泰开电力电子有限公司的现场应用证明， 搬运机器人在电力电容器元件包封生产工艺中的应用效果显著， 所生产的产品一致性和可靠性得到了明显的提高， 同时减少了人工数量2人，提高了生产效率达33.3%，经济效益得到明显提升。这是搬运机器人在元件包封领域的首次应用， 填补了多项技术空白，经过调研，国外目前尚无此种设备应用的记录，具有重大的推广意义。