动力锂电池组生产线机械手控制系统设计分析

杨 洋

(东莞市机电工程学会，广东 东莞 523000)

1 系统硬件平台

1.1 系统功能需求与器件选型

机械手工作内容如下：利用伺服电机带动机械手复位，明确运动基准位置，机械手运动至物料位置，抓取电池层组，移动至传送带电池位置。利用反射激光传感器，准确搜索锂电池层组，同时对电池组装配位置进行定位。装配机械手具备多项运动功能，包含位置控制模块、气动抓取模块。通过位置模块，可以准确定位端盖与层组。气动模块，可以抓取动力锂电池端盖与层组。在装配机械手系统中，能够对机械手运动位置限位开关进行判断，通过激光传感器定位检测锂电池层组，同时对电磁阀气缸抓取装置进行控制[1]。

1.2 机械手运动控制器设计

运动控制器，是运动控制系统核心。按照不同控制器框架，可以划分为3大类：专用芯片核心、单片机核心、PC+运动控制器。为了满足装配机械手控制要求，应用主控芯片、运动控制芯片，优化设计机械手控制器，通过总线技术实现数据交换。控制器利用嵌入中央处理器、运行控制芯片，去除外围设备，降低开发成本，不仅可以利用上位机实现运行控制，还可以确保上位机运行独立性。装配机械手控制系统，能够对三轴伺服电机进行控制。按照伺服电机驱动器、控制系统需求，利用总线技术，统一管理生产系统，同时设计总线通信接口。所以，系统设计应用运动控制器。

1.3 械手驱动执行系统

驱动电机。在系统设计中，伺服电机可以实现各轴往复运动，搜索动力电池层组。生产线装配期间，机械手三轴伺服电机，需要多次启停操作。应用交流伺服电机，能够提升速度响应频率，实现自动调节增益、调谐等。

驱动器。系统应用交流伺服驱动器，涉及到速度控制、位置控制、转矩控制。其中，位置控制利用外部脉冲频率，对电机转速大小进行控制。发送脉冲数量，对电机转动角位移量进行控制，多应用到定位装置中。

2 装配机械手控制系统设计

2.1 运动控制器设计

(1)核心板最小系统设计：核心板最小系统，涉及到晶振电路、复位电路等。(2)电源模块设计：在控制系统中，电源电路属于重要组成。电源稳定性，对主控电路可靠性影响非常大。在控制系统中，应用直流电压供电方式，器件、运动控制芯片，供电电压为3.2V。单独直流电源(5V)与电源(3V)共地，能够为液晶显示模块提供电源。为了降低电源噪声影响，添加电源滤波电路。(3)端口电路设计：使用JTAG专用调试接口，以仿真调试电路为标准，优化设计接口电路。(4)通信模块设计：调试程序时，需要与PC通信，优化设计串行接口，和PC机异步通信。为了兼容PC机通用串口，需要将TTL电平，转变为RS232电平。生产线上位机、下位机数据通信，可以应用现场总线技术，能够实现分布控制、实时控制，满足分布并行式系统要求。(5)运动控制模块设计：运动控制模块，采用PCL控制器，提供多种脉冲控制功能，对电机运行状态予以控制。控制功能涉及到匀速回零、定位、供给、加减速等。PCL控制器能够对多轴运动进行控制，向中央处理器传达控制器运行状态，同时实现中断输出。(6)转接板设计：外接板可以引出各轴限位信号、脉冲、IO信号等，将外部设备、用户连接在一起。设计四轴接口电路，单独列出各轴IO信号，便于用户连接。

2.2 应用程序设计

(1)升降速控制。在运动控制器设计中，合理设置加减速参数，使其运行在寄存器内，合理设置速度曲线，对应寄存器如图1所示。

图1 寄存器设置与速度曲线关系

(2)位置运行控制。利用模式操作寄存器0-6位，有效指导操作模式。针对连续运行模式，将寄存器设置为00H，电机处于连续运行状态。输入启动指令后，遵循预设方向运行，利用寄存器设定，直到写入减速指令。对于定长运动模式，该模式涉及到相对定长、绝对定长。合理设置寄存器为41H，将位置计数器作为参考，科学指定绝对位置。将数值写入寄存器中，合理设置运动方向与距离，实现相对定长。(3)插补运动控制。快速装配生产线，缩短装配时间。按照生产线实况，合理应用X、Y轴联动方式插补。插补是按照运动起始点、进给速度、轨迹轮廓，遵循控制系统脉冲当量，细化运动轮廓轨迹。系统插补功能会受到插补精度、速度指标影响。(4)回原点程序设计。在运动控制系统中，原点运行控制非常重要，为回零控制。原点定位精度，对装配机械手定位影响较大。在系统运行中，将霍尔传感器安装在机械手轴上，对机械手运动原点信号、限位信号进行检测。在各轴上安装传感器感应片，控制器接收电压信号，掌握寄存器状态，对机械手回原点位置进行判断。通过单方向，对机械手回零进行控制。(5)工作流程设计。在装配生产线上，涉及20个工位，有10个为自动化工位。层组机械手，可以完成层组装配，机械手均为层组安装，只是数量不同。对于端盖机械手，重点装配水箱底端盖、PCB板、水箱前端盖、电池组前端盖。各工位机械手运动过程一致性。在生产线上，转运工位为最后工序，能够将动力锂电池组搬运至老化试验台，做好动力电池组充放电试验。机械手运动控制流程，以分支控制程序为主。

2.3 系统调试

利用现场总线技术，对生产线系统进行联调，注重测试控制流程。在程序内部，注释机械手控制程序，挑选10个工位进行通信，测试其与上位机通信可靠性。编写完整程序，查看机械手是否通过现场总线控制，实现工位装配动作指导。在系统联调时，注重观察机械手异常情况，包括抓取失败、硬件限位、搜索失败等。

3 结语

综上所述，本文重点介绍生产线机械手控制系统，讨论系统设计问题，全面提升动力锂电池组生产效率，确保其满足用户生产需求。通过模糊控制、激光传感器，能够准确定位机械手。按照机械手控制需求，编写软件程序，优化设计现场总线通信协议，利用现场总线技术，确保上位机监测和控制机械手。