機(jī)器人在電力電容器元件包封中的應(yīng)用

馮英龍， 羅 軍

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所， 陜西 西安 710100）

0 引言

隨著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步， 工業(yè)機(jī)器人逐漸取代了人力勞動(dòng)，已經(jīng)應(yīng)用到了汽車(chē)行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故，將人力解放了出來(lái)。國(guó)內(nèi)電力電容器行業(yè)目前正在更新生產(chǎn)工藝， 力求改變過(guò)去陳舊的生產(chǎn)方式， 提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平， 積極向德國(guó)工業(yè)4.0 方向轉(zhuǎn)變。 針對(duì)上述情況，本文提出了將機(jī)器人應(yīng)用到電力電容器元件包封生產(chǎn)領(lǐng)域的思想， 通過(guò)機(jī)器人搬運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用取代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)熔絲制作、芯子包封及元件粘接三種工藝流程。 機(jī)器人在電容器元件包封中的有效應(yīng)用是電力電容器行業(yè)發(fā)展的一次重要飛躍， 具有非常重大的意義。

1 系統(tǒng)組成及原理

如圖1 所示， 電容器芯子包封機(jī)器人工作站由芯子上料臺(tái)、絕緣紙殼放置臺(tái)、預(yù)包裝臺(tái)、膠帶制作臺(tái)、熔絲制作機(jī)、 包封整形臺(tái)、1 號(hào)搬運(yùn)機(jī)器人、2 號(hào)搬運(yùn)機(jī)器人、包封下料臺(tái)等組成。 通過(guò)引入機(jī)器人控制技術(shù)以及真空吸附技術(shù)，取代人工進(jìn)行絕緣紙殼、芯子、熔絲、元件的抓取和放置，最終完成如圖2 所示的元件包封。

具體工藝流程如下： 設(shè)備啟動(dòng)→各工位初始化→真空吸盤(pán)將上料臺(tái)絕緣紙殼放置到位→1 號(hào)機(jī)器人夾取紙殼放置到預(yù)包裝臺(tái)→1 號(hào)機(jī)器人取芯子放置到預(yù)包裝臺(tái)→預(yù)包裝臺(tái)定位完畢→1 號(hào)機(jī)器人取預(yù)包裝產(chǎn)品放置到包封臺(tái)→包封臺(tái)定位完畢→2 號(hào)機(jī)器人取熔絲固定到包封臺(tái)→膠帶制作臺(tái)粘膠帶固定熔絲→膠帶刷平→2 號(hào)機(jī)器人取包封臺(tái)產(chǎn)品→包封臺(tái)固定裝置打開(kāi)→2 號(hào)機(jī)器人取成品元件放置到下料臺(tái)→下料臺(tái)輸送產(chǎn)品到指定位置→依次循環(huán)。

圖1 設(shè)備組成圖

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)器人硬件的選取

根據(jù)所抓取元件及氣動(dòng)夾具的重量， 結(jié)合工作現(xiàn)場(chǎng)回轉(zhuǎn)半徑的計(jì)算，選取兩臺(tái)ABB 生產(chǎn)的IRB-120 型機(jī)器人。 其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，易于集成，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。 主要規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

表1 IRB- 120 機(jī)器人參數(shù)表

2.1 機(jī)器人夾具的設(shè)計(jì)

將1 號(hào)機(jī)器人和2 號(hào)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)成二合一的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)兩種方式的夾取。其中1 號(hào)機(jī)器人夾具先完成絕緣紙殼的抓取，然后通過(guò)電磁閥換向，反向完成電容器芯子的抓取。 2 號(hào)機(jī)器人夾具首先完成熔絲的抓取， 然后通過(guò)電磁閥換向， 反向完成整個(gè)成品元件的抓取。 夾具結(jié)構(gòu)如圖3 和圖4 所示。

圖3 機(jī)器人1 氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)圖

圖4 機(jī)器人2 氣動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)圖

2.2 機(jī)器人I/O 板的應(yīng)用

根據(jù)1 號(hào)機(jī)器人和2 號(hào)機(jī)器人與外部設(shè)備之間輸入輸出點(diǎn)位的計(jì)算結(jié)果， 兩臺(tái)IRB-120 型機(jī)器人需分別外配2 塊集成了16 個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)和16 個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)DSQC652 板卡與PLC 控制器進(jìn)行I/O 信號(hào)交互[2]，實(shí)現(xiàn)多個(gè)中間過(guò)程的控制。 第一塊板卡在機(jī)器人控制柜主板上地址設(shè)計(jì)時(shí)定為10，第二塊板卡與第一塊板卡之間通過(guò)DeviceNet 現(xiàn)場(chǎng)總線連接， 端子X(jué)5 的6～12 的跳線來(lái)決定模塊的地址。 如圖5 所示， 將X5 端子上6、9、11、12 短接，DeviceNet 獲得網(wǎng)絡(luò)地址為1×20+1×21+0×22+1×23+0×24+0×25=11，即第二塊DSQC652 板卡對(duì)應(yīng)的機(jī)器人控制柜主板地址為11[1]。 通過(guò)地址的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人主板與外配板卡的通訊連接，使兩者融為一體，達(dá)到了集中控制的目的。

圖5 DeviceNet 總線連接圖

3 機(jī)器人應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)[1]

機(jī)器人應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)包括主程序（main）、初始化程序（rInitAll）、路徑程序、中斷程序（tMonitorDI1）、回退程序等的開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)。

3.1 機(jī)器人工作程序的編寫(xiě)

主程序通過(guò)WHILE 條件判斷指令、IF 條件判斷指令等完成，具體程序編寫(xiě)事例如下：

按照相應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡和工藝流程，1 號(hào)機(jī)器人和2 號(hào)機(jī)器人分段編寫(xiě)出各自的路徑程序。 程序內(nèi)部由置位指令（SET）、復(fù) 位 指 令（RESET）、機(jī) 器 人 運(yùn) 動(dòng) 指 令（MOVJ、MOVL、Wait Time 等）、I/O 控制指令等組成， 具體編寫(xiě)應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)合。

3.2 機(jī)器人回退程序的編寫(xiě)

由于設(shè)備四周遮擋過(guò)多， 機(jī)器人無(wú)法從任意點(diǎn)處直接回到設(shè)定原點(diǎn)，每次需手動(dòng)將機(jī)器人調(diào)整回原點(diǎn)，這樣造成了設(shè)備操作復(fù)雜，且浪費(fèi)了工作時(shí)間。 為此，設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)發(fā)了機(jī)器人回退程序， 保證了機(jī)器人從任意點(diǎn)處自動(dòng)回歸原點(diǎn)。 程序中定義變量m，通過(guò)Incr m（加1）指令實(shí)現(xiàn)每條路徑語(yǔ)句的計(jì)數(shù)，編程時(shí)通過(guò)For，Test，Case 指令實(shí)現(xiàn)回退程序的編寫(xiě)。 具體程序如下：

4 機(jī)器人的應(yīng)用與原工藝對(duì)比

電力電容器元件包封原始加工工藝，即芯子包封、熔絲制作及放置、芯子粘接過(guò)程中需要三臺(tái)設(shè)備，另配三個(gè)人來(lái)完成。本文通過(guò)引進(jìn)兩臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人之后，只需一個(gè)人來(lái)完成元件包封的生產(chǎn)流程，大大節(jié)約了人力資源。如表2 所示，過(guò)去加工每件產(chǎn)品大約需要20 秒，即每小時(shí)生產(chǎn)180 件產(chǎn)品。 目前設(shè)備加工每件產(chǎn)品大約只需15 秒鐘完成，即每小時(shí)可生產(chǎn)240 件產(chǎn)品。 按照每天8 小時(shí)工作時(shí)間計(jì)算，引進(jìn)機(jī)器人之后，每天可多生產(chǎn)480 件，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算可得提高生產(chǎn)效率為： （240×8-180×8）/180×8×100%≈33.3%。

表2 新工藝與舊工藝對(duì)比參數(shù)表

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)在上海思源電器有限公司和山東泰開(kāi)電力電子有限公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明， 搬運(yùn)機(jī)器人在電力電容器元件包封生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用效果顯著， 所生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性和可靠性得到了明顯的提高， 同時(shí)減少了人工數(shù)量2人，提高了生產(chǎn)效率達(dá)33.3%，經(jīng)濟(jì)效益得到明顯提升。這是搬運(yùn)機(jī)器人在元件包封領(lǐng)域的首次應(yīng)用， 填補(bǔ)了多項(xiàng)技術(shù)空白，經(jīng)過(guò)調(diào)研，國(guó)外目前尚無(wú)此種設(shè)備應(yīng)用的記錄，具有重大的推廣意義。