（机械制造及其自动化专业论文）基于多个diamond机械手的电池分选系统研究与开发.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 本文密切结合某电池生产企业急需扩大产能的需求，在国家“8 6 3 ”高技 术研究发展计划的资助下，研究用多个d i a m o n d 机械手搭建可充电电池分选 装备的若干关键技术。论文取得了以下成果： 口在分析可充电电池分选工艺流程的基础上，提出以d i a m o n d 机械手为硬 件核心，结合企业原有装备，运用局域网和数据库技术，搭建可充电电 池自动分选系统的总体方案。该方案具有速度高、可重构性强、成本低， 可与前、后序信息集成等的优点。 口基于对生产率、可靠性和制造成本的考虑，研究了多个机械手在分选装 备中的布局问题。借助概率统计模型，定量分析和比较了串联、并联和 混联布局的优缺点，并确定了可满足企业产能需求的最优布局方案。 口基于优化资源配置的考虑，采用基于p x i 总线的集散型开放式控制模式 建造了分选装备的软、硬件控制系统。该系统以p x i + 多个运动控制器为 硬件核心，并采用高速数据传输和通讯等若干软件技术实现了多个 d i a m o n d 机械手的高速协调控制。实践表明，该控制系统具有集成度高、 成本低，使用方便等优点。机械手最高速度达到6 i i l s ，最大加速度为 6 0 m s 2 ，系统分选效率可达2 2 0 p m i n 。 口本文研究成果弥补了国内高端锂离子电池自动分选装备的空白，并对我 国并联机构原创技术的工程应用起到了重要的示范作用。 关键词：高速并联机械手，电池分选，系统布局，控制系统 天津大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t l ls o m ei s s u e si nt h ed e v e l o p m e n to far e c h a r g e a b l e b a t t e r ys o r t i n gs y s t e mu s i n gm u l t i p l ed i a m o n dr o b o t s t h ep r o j e c tc o m e sf r o mt h e d e m a n do fab a t t e r yi n d u s t r ya n ds p o n s o r e db yt h en a t i o n a l8 6 3h i g h - t e e h d e v e l o p m e n tp r o g r a m t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e a t sh a v e b e e no b t a i n e d 口o nt h eb a s i so fat h o r o u g hi n v e s t i g a t i i n t ot h et e c h n i c a lp r o c e s so f r e c h a r g e a b l eb a r e l yp r o d u c t i o n , t h ei d e at ob u i l dab a t t e r ys o r t i n gs y s t e m u s i n gm u l t i p l ed i a m o n dr o b o t si sp r o p o s e d t h i si d e at a k e st h ef u l la d v a n t a g e o f r c c o n f i g u r a b i l i t yo f t h em o d u l a r i z e dd i a m o n dr o b o t i nc o n j u n c t i o nw i t l lt h e u s eo f n e t w o r ka n dd a t a b a s et e c h n o l o g ya ts y s t e mm a n a g e m e n tl e v e l 口t h ep o s s i b l ec o n f i g u r a t i o n sf o rt h en s eo fm u l t i p l ed i a m o n dr o b o t st ob u i l d t h es o r t i n gs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e db yt a l 【i 1 1 9i n t oa c c o u n tp r o d u c t i v i t y , r e l i a b i l i t ya n dm a n u f a c t u r i n gc o s t t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f p a r a l l e l ，s e r i a la n dh y b r i dl a y o u t sa r eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da n dc o m p a r e d u s m gam a t h e m a t i c a lm o d e l ，r e s u l t i n gi nt h eo p t i m i z e ds y s t e mc o n f i g u r a t i o n t h a ta l l o w st om e e tt h er e q u i r e dp r o d u c t i v i t yw i t hl o w e rc o s t 口b a s e du p o nt h ec o n c e p to fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) t h eh a r d w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mf o rb a t t e r ys o r t i n gi sb u i l du s i n gp p l a t f o r mp l u st w o p r o g r a m m a b l em o t i o nc o n h o l l c r s i ns o r w a r ed e v e l o p m e n t , t h ep r o g r a m m i n g t e c h n i q u e st h a te n a b l et oi m p l e m e n th i g h - s p e e da n dc o o r d i n a t i v ec o n t r o lo f4 d i a m o n dr o b o t sa r ea l s op r o p o s e d t h ep r a c t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mi sf r i e n d l yi n t e r f a c e d , h i g h l yi n t e g r a t e da n dc o s te f f e c t i v e i ta l s o s h o w st h a t u pt o 6 m sa n d6 0 例 c a nb ea c h i e v e dw i t ht h es o r t i n g p r o d u c t i v i t yo f 2 2 0p m i n 口t h eo u t c o m eo ft h i sw o r kn o to n l ys e t u p sas u c c e s s f u le x a m p l ef o r t h el l s eo f t h ed i a m o n dr o b o tb u ta l s op r o v i d e sag o o dr e f e r f i n c ef o ri t se v f i nw i d e r a p p l i c a t i o n si no t h e rr e l a t e di n d u s t r i e s k e yw o r d s ：d i a m o n dr o b o t , b a t t e r ys o r t i n g , s y s t e mc o n f i g u r a t i o n , c o n t r o ls y s t e m l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘茎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：千i 小4 罕签字日期，z 口口6 年z 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：萱彳、4 l 军 签字日期：2d 口5 年乙月z z 日 导师签名： 叼 嘞 - 一夕 签字日期：d 易年易片乃日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 随着大量便携式电子产品，如移动电话、笔记本电脑、摄录像机、无绳电 动工具等的日益普及，高端可充电电池市场在近十年间一直以高于2 0 的速度 增长。i d c 公司统计数据表明：全球手机及笔记本电脑用户从1 9 9 9 年的4 2 6 8 亿上升到2 0 0 4 年的1 4 8 亿，年增长幅度超过2 6 ；中国手机用户至2 0 0 5 年已 达到l 亿户，便携式电脑目前拥有量已超过2 0 0 万台。为此，仅2 0 0 6 年中国聚 合物锂离子电池年需求量估计为1 0 亿只。 当前，可充电电池制造业基本是日本、韩国、中国三分天下。日本电池产 业起步较早，其技术和装备也处于领先地位，基本垄断了目前世界高端二次锂 电池的市场。韩国仅次于日本，在占有很大一部分低端电池市场的同时正在向 高端电池市场转移。而我国电池行业近几年刚刚起步，处于生产低端电池阶段， 主要依赖生产规模的不断扩大来追求市场份额。因此，在高端电池以其技术含 量和经济附加值高、绿色环保等特点受到日本韩国高度关注的形势下，制造技 术与装备的自主创新将成为我国从电池制造大国向制造强国的转变的重要任 务。 目前，国内较具规模的电池生产厂家，如深圳比亚迪、比克、天津力神、 环宇、光宇等实际年产量均不超过l 亿只，尚不能满足市场的需求。这种状况 使得进口电池大量拥占我国市场。因此，扩大电池产能成为我国电池制造业的 当务之急。 成品可充电电池的分类效率是影响电池企业产能的关键因素，其原因在于， 当电池成组使用时，需要组中电池的各种电化学性能参数( 如内阻、电压、充 放电电流、容量等) 具有很高的一致性1 1 - 4 。为此，所谓电池分选就是将同为合 格的电池按照电化学性能的一致性分类，并精确地统计出批次和日期等信息。 鉴于机器人技术在日本的大量成熟应用，日本较早开发了基于串联机械手的多 爪阵列式电池分选装备，效率可达5 0 p m i n 。在国内，哈尔滨子木公司也曾仿制 过日本的分选机械手，但终因效率低、可靠性差没有得到国内企业的普遍认可 第一章绪论 删。天津大学根据天津市某电池股份有限公司的实际人工分选需求，开发了具 有分选指示和出错报警功能的半自动辅助电池分选台，将该公司分选能力由3 万只班提高到8 万只班，分选类别达到1 2 类，但依旧难以满足电池产能扩大 的需求( 图l 1 ) 。因而长期以来，我国大多数电池生产企业仍然一直采用手工分 选、人工统计的落后生产模式。该模式不但效率低下、出错几率高，且分选种 类少。这种状况成为多年来制约我国电池生产企业产能、产品质量和市场核心 竞争力的瓶颈问题。 图1 - 1 半自动辅助电池分选台 虽然我国部分电池生产企业引进了国外技术，但由于投资和维护成本巨大， 故难于产生预期的经济效益。此外，国外引进的机械手还普遍存在与国内化成、 检测等前序设备的信息接口问题。 天津大学黄田教授以在包装领域取得巨大成功的d e l t a 机构( 图1 2 ) 为原型 发明了d i a m o n d 机构( 图1 3 ( a ) ) 。针对该机构，黄田教授、李占贤博士等人在其 运动学、动力学，伺服电机参数预估等方面做了大量工作，取得了很多成果【7 - 9 1 。 该机械手因将驱动器固定在机架上，故可将运动部件做成轻杆，使其兼具了结 构简单、质量轻、刚度好等优点，非常适合在电子，食品、包装等行业对轻小 物料进行中，短距离高速抓取操作。 国内电池行业的发展尤其是高端可充电锂离子电池生产的高速发展为 d i a m o n d 机构的应用研究提供了良好的契机。同时，d i a m o n d 机械手的成功开 发( 图1 - 3 0 ) ) 也为其在电池行业的应用奠定了技术基础。然而，由于缺乏实际工 2 第一章绪论 ( a ) d e l m 机构原型简图( b ) d e m a u r e xd e l t a 机器人构成的饼干包装线 ( c ) a b b 的i r b3 4 0 用于物品装箱( d ) a b b 的i r b 3 4 0 用于香肠包装 图1 2i ) e l t a 机构原型及其成功应用范例 ( a ) d i a m o n d 机构( ”出口英国的样机 图1 - 3d i a m o n d 机构原型及样机 第一章绪论 程应用对象，该型机械手的研究一直停留在单机试验阶段，有关该机械手在实 际工程应用中的诸如布局、多机控制、系统集成等方面的内容尚有待进一步研 究。 综上所述，以d i a m o n d 机械手为核心，开展电池分选装备的开发是一项具 有双重意义的工作，其不仅有利于促进我国电池装备的自主创新，而且对我国 并联机构的原创技术的工程应用将起到重要的引领作用。 1 2 国内外研究状况 鉴于本文侧重研究多机械手的系统布局、分选系统的网络控制等内容，现 在此对相关领域研究状况作如下评述。 1 2 1 分选装备布局 制造系统的最优布局设计是一个需要在制造系统最初设计阶段就必须解决 的重要问题。制造系统最初的布局设计的不合理，必然导致该系统实际运行时 出现各种各样的问题。t o m p k i n s 与w h i t e 指出因布局不合理所产生的运行费用 占制造系统整体运行费用的2 0 5 0 e 1 0 1 。 目前国内外学者对系统布局的研究多是针对加工型的制造系统进行的，国 内的研究重点多集中在采用某种特定算法对设备所占空间和物流费用两方面进 行优化，较典型的如遗传算法 1 l , 1 3 城模拟退火算法旧等。国外一些学者k o r e n ， h u 等人在上个世纪9 0 年代就提出传统大批量生产时期所采用的纯串联布局已 经不能适应全球竞争的需要，并概括了以串联，并联，混联为基础的多种布局 方式，认为不同的布局方式对1 ) 系统的初始成本，2 ) 质量，3 ) 可靠性和生产 量，4 ) 可伸缩性( 扩展生产能力所需成本) ，5 ) 可生产产品种类，6 ) 系统生产不 同产品的转换时间六个方面产生重大影响，其中的4 ，5 ，6 项均涉及到了布局 的可重构性【1 5 - 埘。随后s p i c e f ，k o r e n 等人提出了串联、并联、并行布局的短串 联、各短串联间能可进行产品流动的并行布局四种基本形式，从系统产出、生 产线均衡、成本等方面做了比较，并指出只有均衡的布局才能提高制造系统的 生产效率【1 4 】。然而，上述工作主要是围绕以加工装备为主构成的制造系统展开 的。 高速并联机械手的应用主要集中在食品、医药、电子、轻工等领域，在国 第一章绪论 内的应用还处于起步阶段，有关系统布局的研究尚为空白。目前国外的并联机 械手在工业场合尤其是食品包装领域已经取得极大的成功，但关于系统布局对 生产率和可靠性影响的研究鲜见报道。 本文研究的高端锂离子电池自动分选系统是多d i a m o n d 机械手在电池制造 领域的首次应用，对于如何布局尚无任何经验可供借鉴。考虑到多机械手之间 必然存在并联、串联为基础的多种布局方式，不同的布局方式将对装备的成本、 分选效率、可靠性等产生重要影响。为此，探讨基于多机械手的装备最优布局 问题将构成本文的一个重要研究内容。 1 2 2 网络化控制 在工业控制领域，随着生产的不断发展，一方面控制系统变得越来越复杂， 一个系统往往包含了多个控制器或者执行器；另一方面控制系统在地域上的跨 度越来越大1 8 1 ，导致传统的点对点控制连接方式无法满足现代控制系统的要求， 从而出现了网络连接控制系统。网络控制系统产生于2 0 世纪7 0 年代，至今主 图1 - 4 集散控制系统结构 要经历集散控制系统( d c s ) 并d 现场总线控制系统( f c s ) 两种形式【1 9 2 0 。 集散控制系统是计算机、通信、c r t 显示和控制技术( 简称4 c 技术) 发展的 产物。其主要特点是分散控制、集中管理、多层分级及通过数字通信相互有机 5 第一章绪论 联系的分布式多处理机结构。这种相互联系又采用“松耦合”的方式，使得系统 不仅灵活性大、自治性强，且易变更、易扩展。其典型的结构形式如图1 4 所 示。 现场总线发展于2 0 世纪8 0 年代，是以单个分散的数字化、智能化的测量 和控制设备作为网络节点，将其用总线相连接形成网络化控制系统。与集散型 控制系统相比，其主要特点为：全数字化智能设备、全分布。由于底层控制仪 表中均嵌入了微处理器，具有数字计算和数字通信能力，因而可将多个设备直 接挂在总线上，并按照规范的协议与上位机进行通讯，实现监测与控制功能， 大量节省布线。 此外，由于以太网的低成本，高带宽，以太网交换技术的采用与改进，全 双工通讯技术的采用以及大量工业级以太网产品的投入市场，使其成为工业控 制领域的一颗新星。有人甚至预言，工业以太网将彻底结束众多总线纷争的时 代，实现从企业管理层至工业现场控制“一网到底”【2 1 伽。 由于整个分选系统涉及l r o c r 检测设备，电池容量检测设备，电池分选 装备等多种设备，这些装备之间必然需要进行信息交换，如何对这些设备进行 信息集成是系统建立初期需要考虑的问题；另一方面，分选装备包含多台机械 手，因此采用何种方式实现各机械手的运动协同控制也是需要解决的问题。这 些内容都将涉及到数据网络的内容，也将构成本文的又一研究重点。 1 3 本文主要研究内容 本文紧密结合国家8 6 3 项目“高性能锂离子电池自动分选成套装备”及某电 池公司年产1 5 亿只电池四期扩产工程，以天津大学发明的d i a m o n d 机械手为 硬件核心，开展基于多机械手的分选系统布局及网络化控制技术研究，并据此 搭建出一套高速自动电池分选系统，用于实际生产。全文内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，简要评述相关领域的国内外研究发 展现状，并提出本文主要研究内容。 第二章介绍高端锂电池分选工艺，提出整个分选系统构架方案，开发基 于网络和数据库技术的分选信息管理系统。 第三章研究分选装备布局问题，提出以串联、并联为基础的可重构布局 方案，通过分析比较分选效率和制造成本，确定最优布局。 6 第一章绪论 第四章侧重研究多机械手的网络控制技术。提出一种基于集散控制结构 ( d c s ) 的开放式数控系统软硬件平台搭建方案，研究控制相关的若干关键技术， 并最终完成控制系统开发， 第五章利用前面几章研究成果，完成分选装备的功能调式，涉及控制器 参数整定、机械零点调整、抓放位置调整、进给间距调整、脱机和联网分选试 验等一系列工作。 第六章给出全文结论与工作展望。 7 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 2 1 引言 为了充分发挥d i a m o n d 机械手的高速性能，研究将机械手分选装备与原有 检测、化成、装盒等前后续工艺及装备的集成方案，以期构成灵活、高效的分 选系统是本文首先要解决的问题。 本章根据d i a m o n d 机械手的特点，综合考虑企业现有分选相关装备、工艺、 产能及后续扩展要求，制定分选系统总体方案，并运用网络及数据库技术，开 发分选信息管理系统。 2 2 分选工艺介绍 当锂离子电池成组使用时，需要组中电池的各种电化学性能参数( 如内阻、 电压、充放电电流、容量等) 具有很高的一致性。为此，需对同为合格的电池 按照电化学性能的一致性分类，并精确地统计出批次和日期等信息。现以1 8 6 5 0 电池为例，对分选基本工艺流程概述如下： 1 8 6 5 0 电池的测量以托盘为单位，每个托盘一次可以装载1 5 0 只( 1 5 x 1 0 ) 或2 5 6 只( 1 6 x 1 6 ) 。如图2 1 所示，电池经化成后装入托盘，经i r o c r 设备第 一次测量，得到o c v i 、i r l 值；库存若干天后，经h u o c r 设备第二次测量， 得到o c v 2 、i r 2 值；电池以托盘为单位装入容量测试设备，经过反复充放电， 测量得到多次容量数据，经i r o c r 设备第三次测量，得到电池o c v 3 、i r 3 值； 库存若干天后，经i r o c r 设备第四次测量，得到o c v 4 、i r 4 值。以批次为单 位，通过对每个电池的o c v l 、i r l 值、o c v 2 、i r 2 值、容量值q 3 及小电流容 量值q 4 、o c v 3 、i r 3 值、o c v 4 、i r 4 值按照分选标准，对电池进行类别分选。 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 图2 - 1 电池分选工艺流程 2 3 分选系统总体方案 根据上节论述，电池分选系统包括i r o c v 检测、容量检测、电池分选等多 种装备，整个分选流程涉及多批次信息统计处理。为了改变企业目前人工管理 图2 - 2 分选系统总体架构 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 统计、手工分选的落后现状，本文拟采用如图2 2 所示的以多个d i a m o n d 机械 手为硬件核心构建高速分选装备，运用网络及数据库技术实现系统信息集成， 以期提高分选系统效率。 考虑到系统对各批次检测数据均可采用批量处理，分选装备也可先批量获 取电池分类数据，再分选，因而系统对网络实时性要求不高。此外，与应用较 广的r s 4 8 5 串行总线网及各类现场总线网相比，工业以太网具有低成本、高带 宽、技术成熟等优点，且系统已有的检测装备均由工控机控制，本身具有以太 网接口，故可进一步节省成本。如图2 - 2 所示，本系统以多机械手构建分选装备， 采用主、从数据服务器完成数据储存与管理统计，并采用工业以太网实现系统 集成。 为了实现该系统需要解决两个问题。其一，建立分选管理系统，实现基于 以太网络的电池特性数据的采集、批次信息维护、电池数据筛选、分类设定、 记录查询等功能，完成系统各装备的信息集成，其主要涉及局域网及数据库技 术。其二，根据产能扩展需求，以基于多机械手的电池分选装备，通过局域网 获取电池分类数据，完成电池的高速分选操作，其主要涉及多机械手布局及其 控制系统的建造。本章将侧重解决第一个问题，而将第二个问题留在后续两章 讨论。 2 4 分选信息管理系统设计 2 4 1 系统功能分析 研制本系统的目的是，将现行电池生产中的检测分类工序从人工统计管理 升级为计算机网络化管理，即借助数据库技术和局域网实现电池特性数据采集 和管理，从而提高生产效率，降低成本、减轻劳动强度及减少出错几率。 考虑企业实际生产的需要，本系统中各工位拟实现的功能为： i r o c v 设备测量机实现功能； 采集托盘条码，查询中心数据库，判断托盘信息； 由现有i r o c v 设备软件产生的文本文件采集电池的测量数据、批次信 息、日期等； 手动填报补测数据； 整理测量数据及托盘条码，发送、存储至中心数据库，并在本机备份。 1 0 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 容量设备测量机实现功能： 采集托盘条码，查询中心数据库，判断托盘信息； 每台容量设备每次最多可以测量a 1 、a 2 、a 3 、a 4 、b i 、b 2 、b 3 、b 4 、 c i 、c 2 、c 3 、c a 、d 1 、d 2 、d 3 、i ) 4 等1 6 个位置的托盘，按操作顺序 将容量设备1 6 个测量位置与1 6 个托盘条码对应，并可调整； 由现有容量设备软件产生的文本文件采集电池的测量数据、批次信息、 日期等； 手动填报补测数据： 整理测量数据及托盘条码，发送、存储至中心数据库，并在本机备份。 中心计算机实现功能： 与测量机联网，辨别反馈托盘信息，接收、存储测量机发送的数据； 以批次为单位对完成测量的电池数据进行统计计算，提供电池合格判 定、等级划分的结果； 与分选机联网，提供托盘电池的等级信息： 可以设定电池状态值的计算参数提供系统维护功能； 提供对托盘及其条码的维护。 分选工位计算机功能： 采集托盘条码编号，由中心数据库获得托盘信息； 通过局域网获得当前批次电池统计信息及托盘中电池等级信息； 根据电池信息生成机械手动作轨迹，控制机械手完成分选抓、放动作； 此外，由于电池检测分类是整个电池生产的最后一道工序，且不能与其他 工序并行，因而对该系统可靠性提出了较高要求。同时考虑到目前电池产业发 展迅猛，必须在系统设计之初考虑其可扩展性。 2 a 。2 网络配置方案 分选系统采用局域网实现i r o c v 检测设备、容量检测设备、分选装备、数 据库服务器等装备的信息集成。考虑到对可靠性和可扩展性的要求，本系统网 络配置如下： 网络系统服务器采用双c p u ，并采用双机热备份方式工作； 系统中采用主、备两套服务器。正常工作时，主服务器将数据备份到备份服 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 务器；主服务器故障时，备份服务器自动接替主服务器工作，从而保证系统 可靠、不间断运行； 每台服务器采用r a i d 5 的磁盘冗余技术，并使用热插拔磁盘，保证数据的 安全可靠，并可动态维护； 网络交换机采用c i s c om s c 3 5 5 0 s m i ，配两个千兆以太网模块连接服务 器，提供2 4 口网络连接，以满足检测设备和分选装备的扩展需求； 为保证系统稳定运行，配置5 0 0 0 v a 4 小时u p s 电源。 2 4 3 系统软件设计 新一批电池生产完毕后，从排放到托盘开始，需经过多次i r o c v 测量及化 成、后处理等操作，再根据用户提出的分选条件，筛选出另行处理的电池、成 品电池、需要重新化成组成新批的电池及后处理组成新批的电池等。该系统需 要记录电池在整个测试过程中的各项测量数据、分选标准、最后筛选出的各种 级别，具体流程如图2 3 所示。 初始化新批数据：制定本批电池分选方 案；打印托盘条码。 l l 进入装盘工位，扫描托盘条码后。机器自动显示该托盘的起始、 l 终止电池号。此工位需要录入本批的最大电池号。 i 第一次化成后。扫描条码或手动选择批次，根据托盘号自动识别 i 化成数据的存贮路径和文件名，操作员确认后导入数据库。 i 第一次i p - d o c v 后，扫描条码或手动选择批次，根据托盘号自动 l 识别化成数据的存贮路径和文件名，操作员确认后导入数据库。 1 2 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 由操作员选择批次，自动查询 出本批的第一次补测条件，筛 选出需要补测的电池。 有需要补测的电池，手工测试 后填入数据，不能覆盖原始数 据。 有需要重新化成的电池，用辅助分 选台将其取出。重新进行化成和 m ，o c v 测量，数据要存入原始库。 由操作员选择批次，自动查询 出本批的重新化成条件，筛选 出需要重撅化成的电池。 由操作员选择本批的各种另行处 理产品( 过充等) 的分选条件，筛 选出另行处理的电池。 如果有另行处理的电池，用辅 助分选台将其取出，并在数据 库中标记该电池类型。 第二次咖v 测量后，扫描条码或手动选择批次，根据托盘号自动识别 化成数据的存贮路径和文件名，揉作员确认后导入数据库。 根据批次查询出本批的第二次补 测条件，筛选出需要补测的电池。 有需要补测的电池，手工测 试后填入数据，不能覆盖原 始数据。 1 3 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 由操作员选择本批的各种另行处理 产品( 过充等) 的分选条件，筛选 出另行处理的电池。 如果有另行处理的电池，用辅 助分选台将其取出，并在数据 库中标记该电池类型。 后处理后，扫描条码或手动选择批次，根据托盘号自动识别后处 理数据的存贮路径和文件名，操作员确认后导入数据库。 第三次i r o c v 后，扫描条码或手动选择批次。根据托盘号自动 识别化成数据的存贮路径和文件名，操作员确认后导入数据库。 根据批次查询出本批的第三次补 测条件。筛选出需要补测的电池。 有需要补测的电池，手工测试 后填入数据，不能覆盖原始数 据。 由操作员选择本批的各种另行处理 产品( 过充等) 的分选条件，筛选 出另行处理的电池。 如果有另行处理的电池，用辅 助分选台将其取出，并在数据 库中标记该电池类型。 由操作员选择本批的各种成品的 分选条件，筛选出成品电池。 如果有成品电池，用机械手 分选装备取出电池，并在数 据库中标记该电池类型。 1 4 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 根据批次查询本批的后处理分选 条件，筛选出需要后处理的电池。 第四次i r o c v 后，扫描条码或手动选择批 次，根据托盘号自动识别化成数据的存贮路 径和文件名，操作员确认后导入数据库。 如果有需要后处理补批的电池， 用辅助分选台将其取出，并在数 据库中标记为后处理补批。 重新生成批号，并打印托盘条码； 重新测量后处理数据和i r o c v 数据。数据要存入原始库。 有需要补测的电池，手工测 试后填入数据，不能覆盖原 始数据。 由操作员选择本批的第四 次补测条 牛，筛选出需要朴 测的电池。 由操作员选择本批各种需另 行处理的电池分选条件，筛选 出另行处理的电池。 如果有另行处理的电池，用辅 助分选台将其取出，并在数据 库中标记该电池类型。 由操作员选择本批各种成品的 分选条件，筛选出成品电池。 如果有成品电池，扫描托盘条码或选择托 盘，用机械手分选装备取出电池，并在数 据库中标记该电池类型。 图2 - 3 分选流程图 1 5 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 考虑目前分选系统所涉及计算机全部用局域网相连，为保证数据传输过程 中的安全性和稳定性，采用c s 模式开发，数据库采用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 ，客户端开发工具采用p o w e r b u i l d e r1 0 。整个系统采用模块化设计，各工 2 4 系统功能模块图 位的系统功能由特定模块实现。根据不同工位操作模块不同，不同工位的操作 员具有不同的操作权限。系统功能模块如图2 - 4 所示。 目前，基于以上功能模块的分选信息管理系统已经开发完成。系统界面如 图2 5 。 1 6 第二章分选系统总体方案及分选信息管理系统设计 2 5 小结 图2 - 5 分选信息管理系统界面 本章根据1 8 6 5 0 锂电池分选工艺需求，确定了以多并联机械手为核心的高 速电池分选系统总体方案，得出如下结论： ( 1 )充分考虑分选系统功能要求及原有检测装备，确定了分选系统总体架构。 ( 2 )提出了分选系统涉及的两个主要任务。其一，开发分选信息管理系统。其 二，开发基于多并联机械手的分选装备，解决多机械手布局及控制系统开 发两个核心问题。 ( 3 )分析了分选系统各工位功能，运用局域网及数据库技术，开发了模块化的 分选信息管理系统，实现了分选系统的信息集成。 1 7 第三章分选装备的系统布局 3 1 引言 第三章分选装备的系统布局 根据企业扩产要求，自动分选系统的分选能力须达到2 0 0 p r a i n 。考虑到单 个d i a m o n d 机械手可靠分选效率为6 0 - 9 0 p m i n ，拟采用四台机械手构建分选装 备，协同完成扩产后的分选任务。 本章侧重研究多机械手的系统布局问题，首先提出分选系统几种基本布局 模型；然后利用概率模型，逐一分析不同布局下系统的分选效率；最后给出一 组机械手在不同布局及工作方式下的分选效率计算实例，并通过分析比较，确 定装备最优布局。 3 2 分选装备基本布局模型 电池分选的主要任务是，根据已知分类数据，分选出随机存放在一定规格 电池托盘中的电池。多机械手分选操作时，必然存在多种可能的布局。为此， 根据企业分选现场工况及机械手自身特点，本文提出了串、并两种基本布局。 如图3 1 所示，分选装备主要由机械手、伺服进给平台、出料系统三部分组成。 在基本布局方式下，装备基本分选流程如图3 2 所示。现对装备各组成部分简述 图3 - 1d i a m o n d 机械手基本布局 第三章分选装备的系统布局 如f ： 1 ) 分拣机械手采用d i a m o n d 机械手，其由基座、动平台和连接二者的两条 含各两个平行四边形的对称支链组成。安装在基座上的伺服电机通过减速器分别 驱动两个主动臂摆动，进而使动平台产生高速平动，携带安装在动平台上的气动 手爪完成电池的高速抓、放操作。 2 ) 送料机构采用同步齿形带传动，由伺服电机驱动，完成电池托盘的精确 步进与快退操作。 图3 - 2 基本分拣流程 1 9 第三章分选装备的系统布局 3 ) 出料机构采用带有磁道的传送带，将分拣出的电池输出到后续清洗包装 工序。 分选装备的串、并概念主要是针对成本较高的伺服进给平台的配置提出的。 在并联布局中，各机械手分别配置独立的电池托盘伺服进给平台，各电池托盘 独立进给，各机械手可完全独立操作，如图3 1a ) ；在串联布局中，多个机械手 共用一个伺服进给平台，各托盘需同时进给，如图3 1b ) 。显然，不同的布局下， 装备的成本、可靠性、分选效率、可扩展性都是不同的。 此外，每个机械手最多能分拣的电池类别由机械手的工作空间、托盘和出 料系统的跨度决定，可将其视为常值。若待分选成品电池的种类数大于单个机 械手能分拣的最大类数，则一盘电池需要经过一个机械手的多次反复或多个机 械手依次分选。显然，为了避免输出传送带不同时段输出不同类型电池而产生 的混乱，采用后者工作方式比较合理。基于以上考虑，串、并布局装备在分选 种类数量不一的批次电池时，均需采用多种不同的工作方式。如图3 3 所示，不 同的工作方式也会对装备的分拣效率产生影响。 a ) 并联布局串联工作方式”并联布局并联工作方式 c ) 串联布局并联工作方式 d ) 串联布局串联工作方式 注：回啦飘i 蔓霹 未分选托盘一次分选托盘二次分选托盘 图3 - 3 不同布局下多种工作方式 第三章分选装备的系统布局 3 3 分选效率分析 在制造领域中，生产率被定义为一个系统长期运行的平均效率，特别指在 给定时间内系统的产出数量。在本文中分选效率尸定义为： p = a - ，肋6 ( 第f 个状态) ( 3 1 ) i j l 其中，n 表示分选装备的可能状态数量；a 表示处在第f 个状态下的装备分选效 率；p r o b ( 第阶状态) 表示第i 个状态发生的概率。 3 3 1 并联布局 在并联布局中，每个机械手都有独立的托盘进给平台，可相互独立运行。 并联布局的机械手可根据当前分选批次中电池的种类数设定为串联、并联，或 混联多种工作方式。在串联方式下( 如图3 3 a ) ) ，将整个装备作为一个分选单元， 盘电池经过全部机械手逐次分选，装备可分选的电池种类数达到最大值；在 并联方式下( 如图3 - 3 b ) ) ，各个机械手独立构成一个分选单元，装备可分选电池 种类数最小；在混联方式下，装备中的机械手被分为多个并联工作的分选单元， 每个单元由两个或两个以上串联工作的机械手组成。为保证各机械手任务平衡， 应保证在混联方式下每个分选单元中的机械手数量相等。 3 3 1 1 纯并联工作方式 若 n 一 则装备可采用纯并联分选方式。在此，表示当前批次电池中电池总种类数； 表示单个机械手所能分选的最大种类数。该方式下，每个机械手构成一个 独立工作单元，装备的分选效率为： p = 喜( ； c 一r ，一r ，“= 七r 雄t s 一2 ， 式中，k 表示机械手数量；“表示单个机械手连续工作时的分选速率；r 表示单 个机械手的可靠度。 2 l 第三章分选装备的系统布局 3 3 1 2 纯串联工作方式 若 毛k n 一n 鲰n 一 则装备可采用该分选方式，分选效率为： p = 七“r ( 3 - 3 ) 在该方式下，装备的可靠性最低，任一机械手出现故障将导致整个装备不能正 常工作。 3 3 1 3 混联工作方式 若 叱 n s 三一k 则装备可采用这种分选方式，该方式是串联和并联方式的综合，分选效率为： 尸：生( m r m ) ：k “r m ( 3 - 4 ) 式中，m 表示每个分选单元中串联工作的机械手数量。 若不考虑装备的可靠性，并联布局的分选效率可以达到2 4 0 p 以上，仅是分 选的种类数目不同。 3 3 2 串联布局 在串联布局中，各机械手共用一个伺服进给平台，需所有串联的机械手均 完成当前行电池的抓取后才能进给，因此在串联布局下，量化进给等待时间成 为评价装备分选效率的首要问题。 图3 4 机械手抓取路径 第三章分选装各的系统布局 图3 - 4 示出了机械手分选电池时的路径。由图可见，抓取任一电池，除水平 路径p 6 p ，之间距离不同外，其它相同。而针对企业的需求所设计的d i a m o n d 机 械手水平运动的最大与最小距离差为4 3 5 n u n 。考虑到机械手在水平段最高速度 可达6 m s ，水平路径巩p 处于高速段，故各电池水平距离差对整个抓取过程耗 时影响很小，加之电池在托盘中是随机分布的，因此可认为机械手分选一个电 池所用时间与电池在托盘中所处位置无关，从而将等待时间的量化问题简化为 计算各机械手在当前行所需抓取电池数量差值的问题。 由于一批电池中各类电池的数量不确定，但每个机械手可分选。类电池， 因而可根据当前批次电池中各类电池数量的统计数据设定各机械手分选的电池 类别，进而使得各机械手需分选的电池总量基本相等，以均化任务负载。采用 上述策略可使在串联布局下各机械手的相互等待时间最短，具体实现算法将在 第四章叙述。 在采用上述设定策略基础上，将串联布局的单个机械手需分选的所有类别 电池作为一大类，可建立求解进给等待时间的概率模型如下： 设一批电池可分为茁类，各类电池数量相等，从该批电池中随机抽取k 组电 池，分别作为串联布局的七个机械手的抓取对象，每组w 个( 即电池托盘中一行 电池数量) ，设装备在当前进给位置下，第i 组电池中需要抓取的电池数量为吼， 即第f 个机械手在当前行的所需抓取电池数。任取i ，有 吼= m a x ( q ，) 一甄 ( 3 - 5 ) 式中，w 表示托盘中一行电池数量；i , j = 1 2 七。求其数学期望蜀( 幻，) 。给定 k ，七，m ，不难对其进行求解。进而可得串联布局下，第f 个机械手在每个进给周 期的等待时间为： 巨( f 。) = e ( a q ，) f( 3 6 ) 式中，f 表示机械手分选一个电池所需时间。 又因每个进给周期内机械手的有效抓取时间为： e ( f 瓣m ) = e ( q f ) t = r a 吉t ( 3 7 ) 故可得串联布局装备分选效率为： = 水，卜 仔s ， 在串联布局中，根据当前批次电池总类数，装备也可设定为串联、并联或 混联工作方式，设定原则与并联布局相同。不同工作方式的分选效率均具有式 第三章分选装备的系统布局 ( 3 - 8 ) 所示的形式，但不同工作方式将对机械手等待时间及有效时间产生影响， 如以下实例所示。 3 3 3 混联布局 混联布局为并联与串联布局的组合。将其各串联部分构成一个单元，再按 并联布局处理，或将各并联部分当作一个单元，再按串联处理，均可计算出相 应的分选效率，不再赘述。 3 4 实例计算及分析 用4 台菜型d i a m o n d 机械手构成一分选装备，参数如表l 。现不考虑其可靠 性，计算其在不同布局及不同工作方式下的分选效率。 表i ：机械手参数 表2 示出了在并联布局下，该装备分选电池总类数为i - 6 类，7 1 2 类，1 3 - 2 4 类 的不同批次电池时的分选效率。 表2 ：并联布局分选效率 电池类数1 67 1 2 1 3 2 4 工作方式 并联混联串联 分选效率( p m i n ) 2 8 02 8 02 8 0 表3 示出了串联布局下，装备分选时的进给等待时间及分选效率。 表3 ：串联布局分选效率 电池类数 1 67 1 21 3 2 4 工作方式 并联混联串联 迸给等待期望( s ) 01 7 51 5 5 有效抓取时间期望( s ) 1 3 7 16 8 63 4 3 分选效率( p r a i n ) 2 8 02 0 81 5 3 表4 示出了在混联布局下，装备分选过程中的进给等待时间及分选效率。 需要指出的是，混联布局下的混联工作方式存在两种可能，一是串联布局的单 第三章分选装备的系统布局 元内部机械手串联工作，两个单元并联工作；另一种是串联布局的单元内部机 械手并联工作，两个单元串联工作。显然，两者的分选效率不同。 表4 ：混联布局分选效率 电池类数1 67 1 21 3 2 4 混联 工作方式并联串联 单元内串联单元间串联 进给等待期望( s ) oo 9 6oo 8 2 有效抓取时间期望( s ) 1