孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州 450046)

圓柱電池集流片電阻焊接系統(tǒng)設(shè)計

孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州 450046)

針對圓柱電池電芯與集流片的電阻點焊，設(shè)計了6工位焊接系統(tǒng)，分別為電芯上料工位、集流片上料工位、焊接工位、預(yù)折彎工位、折彎工位和成品下料工位。每個工位可同時運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動上下料，自動焊接，且完成焊接后對集流片自動折彎處理，提高了系統(tǒng)的自動化程度，節(jié)約了人力成本。

集流片 電阻焊 6工位 自動化

0 序 言

鋰離子電池因其高能量密度，高功率輸出等優(yōu)勢，得到了廣泛發(fā)展[1-3]。集流片一般分為正極和負(fù)極集流片，根據(jù)電池的制造工藝，需要將電池基體(常稱作電池電芯)與集流片通過焊接連接在一起，起到對外輸出電壓的接口。

目前電池芯與集流體的焊接采用電阻焊的方式，相對于超聲波焊接或者激光焊，電阻焊的投入成本較低，對工件的加工精度要求不高[4-5]。電池生產(chǎn)廠一般采用人工操作或者簡單的機(jī)械配合人工操作，效率比較低，已經(jīng)不能滿足鋰電池日益增長的市場需求。提高設(shè)備的自動化程度，減少人工操作，是鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級的必由之路。但是自動化產(chǎn)線設(shè)計復(fù)雜且一次性投入成本較高，一般企業(yè)無法承擔(dān)。需要結(jié)合產(chǎn)品的特點及加工工藝需求，對自動化生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化流程設(shè)計，盡量節(jié)約投入成本，同時提高生產(chǎn)效率[6-8]。

文中結(jié)合鋰電池的生產(chǎn)工藝流程，設(shè)計了一整自動化系統(tǒng)，同時完成了電池電芯與集流片的焊接及集流片的折彎工序。

1 焊接產(chǎn)品需求及總體結(jié)構(gòu)

1.1 產(chǎn)品需求

待焊產(chǎn)品分為兩部分：圓柱電池(后面簡稱為電芯)和集流片。需將集流片和電芯焊接在一起，焊接完成后對集流片進(jìn)行折彎，電芯殼體材質(zhì)為鋁，電芯直徑為22 mm，長32 mm，集流片為沖壓件。集流片材質(zhì)為鎳，厚度0.3 mm。

1.2 焊接設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

為保證焊接產(chǎn)能，采用全自動上料和下料。設(shè)備運(yùn)行時，先將集流片和電芯焊接在一起，焊接完成后對集流片進(jìn)行折彎處理，完成后自動下料，設(shè)備各個環(huán)節(jié)均有物料檢測傳感器，若設(shè)備處于無料狀態(tài)，則其停止運(yùn)行并報警。設(shè)備主要由上料組件、夾具組件、下料組件和操控組件等幾部分組成如圖1所示。

圖1 設(shè)備總體機(jī)構(gòu)圖

2 6工位系統(tǒng)設(shè)計

6工位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)盤形式，6個工位含有6套隨行夾具。每套隨行夾具均為氣動夾緊，可保證夾緊力穩(wěn)定，動作順序邏輯性和運(yùn)行穩(wěn)定性。6個工位組件分別為：電芯上料工位(上料方式為皮帶運(yùn)輸，機(jī)械手抓取的方式)、集流片上料工位、焊接工位、預(yù)折彎工位、折彎工位和成品下料工位(同電芯上料工位)。其中電芯上料工位和集流片上料方式為半自動方式，設(shè)備運(yùn)行時，人工將一定批量的集流片放入出料機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過機(jī)構(gòu)配合，可實現(xiàn)逐個上料，大大提升設(shè)備生產(chǎn)效率；焊接方法為電阻焊，采用焊針點焊；預(yù)折彎工位為輔助工位，為折彎工位做準(zhǔn)備，該工位可將集流片進(jìn)行整形；折彎工位為一氣動組合機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)集流片的最終折彎；下料工位同電芯上料工位類似。整個夾具組件機(jī)構(gòu)緊湊，各工位分工協(xié)作，可實現(xiàn)設(shè)備的高效運(yùn)行。

2.1 上料組件設(shè)計

電芯上料組件為全自動機(jī)構(gòu)，主要由皮帶、電機(jī)、傳感器、動械手和對應(yīng)機(jī)加件組成。皮帶起輸送作用；電機(jī)驅(qū)動皮帶旋轉(zhuǎn)，為動力機(jī)構(gòu)；傳感器起三個檢測作用:①為有料檢測，若一定時間內(nèi)傳感器沒有檢測到信號(即沒有物料)，則判斷為上料組件處于缺料狀態(tài)(此時設(shè)備報警);②為保證夾具組件在上料過程中能上到物料(上料過程由機(jī)械手抓取，若傳感器沒檢測到信號，則機(jī)械手不動作);③為起到計數(shù)作用，每上一個物料，則數(shù)量都反饋在PLC觸摸屏上，方便統(tǒng)計產(chǎn)量；機(jī)械手起抓取作用，將傳送帶上的物料抓取放入隨行夾具內(nèi)，上料組件如圖2a所示。

機(jī)械手主要由舉升氣缸、擺缸和兩個氣爪組成，如圖2b所示。抓取物料時，各氣缸運(yùn)動步驟為：氣爪松開→舉升氣缸伸出→擺缸旋轉(zhuǎn)90°→舉升氣缸縮回→氣爪夾緊(此時抓取電芯)→舉升氣缸伸出→擺缸復(fù)位(旋轉(zhuǎn)90°)→舉升氣缸縮回→氣爪松開。此后依次循環(huán)，重復(fù)以上的動作。

2.2 集流片上料工位設(shè)計

如圖3a所示，集流片上料工位的機(jī)構(gòu)主要由左上料工位和右上料工位兩部分組成，左右兩個上料工位結(jié)構(gòu)呈鏡像關(guān)系，文中選取一方(右上料工位)進(jìn)行詳細(xì)描述。右上料工位由儲料機(jī)構(gòu)、同步帶機(jī)構(gòu)等組成。設(shè)備開始生產(chǎn)時，將集流片放入儲料機(jī)構(gòu)的導(dǎo)料桿內(nèi)，因為集流片為中空結(jié)構(gòu)，故導(dǎo)料桿能將集流片固定住，右上料工位的集流片儲料機(jī)構(gòu)為兩工位機(jī)構(gòu)，局部放大圖如圖3b所示。每個工位能儲料300件，故右工位能儲料600件，整個集流片上料工位可儲料1 200件，一次性上料1 200件可大大減少上料時間，增加設(shè)備產(chǎn)能和效率。集流片上料由旋轉(zhuǎn)壓緊氣缸和真空吸盤一起完成，同步帶機(jī)構(gòu)帶動活動托盤，當(dāng)真空吸盤吸走一個集流片時，伺服電機(jī)驅(qū)動同步帶帶著活動托盤往上運(yùn)動一個集流片厚度的距離，依此循環(huán)。吸盤為仿形設(shè)計，中間有避位空，方便焊針出入，仿形結(jié)構(gòu)可增大真空吸附面積。

2.3 隨行夾具設(shè)計

隨行夾具置于轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤共有6個隨行夾具，隨行夾具為氣動夾具，均布在轉(zhuǎn)盤上，如圖4a所示。轉(zhuǎn)盤由高精度DD馬達(dá)驅(qū)動，DD馬達(dá)為外圈轉(zhuǎn)動形式，中心軸部分固定，可在中心部分放置多回路高速氣動旋轉(zhuǎn)接頭，這樣轉(zhuǎn)盤帶著隨行夾具轉(zhuǎn)動時，氣缸的氣管不會打結(jié)。

如圖4b所示，隨行夾具主要由定位夾具、氣缸、同步帶機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動副等幾部分組成。定位夾具起對產(chǎn)品定位的作用；直線運(yùn)動副由直線軸承和光軸組成，起導(dǎo)向作用；氣缸和直線運(yùn)動副一起，可組成一個帶導(dǎo)向的往復(fù)直線運(yùn)動；氣缸帶著壓塊往復(fù)運(yùn)動，可實現(xiàn)對電芯的壓緊和松開，對集流片的壓緊和松開。此外，兩個定位夾具通過同步帶機(jī)構(gòu)連接在一起，焊接時通過可離合式摩擦輪驅(qū)動兩個定位夾具旋轉(zhuǎn)，這樣在點焊時，可以焊接多個點，加強(qiáng)焊接牢固程度。

電阻焊機(jī)采用天津科華焊接設(shè)備有限公司的UN200型號，電阻焊接工位如圖4c所示，電極2位焊針，其材質(zhì)為紅銅，直徑φ2 mm。焊針共有兩個，兩個焊針距離很近但不接觸，焊接時兩個焊針充當(dāng)正負(fù)電極；集流體與電芯配合位置如圖4d所示，焊接時兩個電極和集流體接觸，但只有電極壓住的地方才有加壓力，此處集流體和電芯接觸電阻遠(yuǎn)大于其他位置，通電后產(chǎn)生電阻熱使電芯和集流體接觸面熔化，從而達(dá)到焊接目的。

圖2 上料組件機(jī)構(gòu)圖

圖3 集流片上料工位機(jī)構(gòu)圖

圖4 隨行夾具機(jī)構(gòu)圖

在電阻焊過程中，決定焊接質(zhì)量主要由以下幾個因素：電流、通電時間、加壓壓力、電阻頂端直徑。文中所述焊接夾具內(nèi)，帶動電極2的氣缸缸徑為32 mm，但整體機(jī)構(gòu)設(shè)計帶彈性預(yù)壓功能，最終電極2的加壓力為彈簧提供，可通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊壓縮量實現(xiàn)調(diào)節(jié)加壓力的目的，其中加壓氣缸配備一單獨調(diào)壓閥。通過大量工藝驗證，焊接電壓為1.4～1.6 V，電流為18～20 kA，加壓壓力1 kPa，保溫時間為0.4 s為最佳工藝參數(shù)，滿足最終焊接生產(chǎn)的質(zhì)量要求。所述電阻焊設(shè)備采用單獨電阻焊接電源，電源可由工控系統(tǒng)控制。

焊接完成后對成品作拉伸試驗，抗拉強(qiáng)度達(dá)到40 N，滿足實際產(chǎn)品的批量生產(chǎn)需求。

2.4 焊接工位設(shè)計

焊接工位主體機(jī)構(gòu)如圖5所示，主要由焊針、夾塊、氣缸和彈簧等以及對應(yīng)機(jī)加件組成，彈簧套在直線運(yùn)動副內(nèi)，氣缸1帶著焊針往復(fù)運(yùn)動對集流片進(jìn)行焊接。焊接時，氣缸帶著焊針先焊接一點(左右兩個定位夾具一起焊)，焊接完成后氣缸1往上運(yùn)動，焊針和集流片脫離，此后氣缸2開始往前運(yùn)動，帶著離合機(jī)構(gòu)往前，此時摩擦輪和隨行夾具的摩擦輪接觸，伺服電機(jī)將運(yùn)動傳遞，然后兩個隨行夾具旋轉(zhuǎn)一定角度，氣缸1往下運(yùn)動焊接另外的點，依此類推。焊接完成后，通過成品下料機(jī)構(gòu)完成下料，下料機(jī)構(gòu)與電芯上料機(jī)構(gòu)類似。

2.5 預(yù)折彎工位與折彎工位設(shè)計

焊接完成后，需對集流片進(jìn)行折彎處理，折彎分兩步：預(yù)折彎和折彎。預(yù)折彎為初步折彎，為后面的折彎工位做準(zhǔn)備。

預(yù)折彎工位和折彎工位機(jī)構(gòu)類似。如圖6所示，機(jī)構(gòu)主要由3個氣缸、1個折彎片以及對應(yīng)機(jī)加件組成，當(dāng)轉(zhuǎn)盤帶著隨行夾具運(yùn)動到預(yù)折彎工位時，氣缸3先下壓，將電芯和集流片固定，此后氣缸1伸出，然后氣缸2帶著折彎片向上運(yùn)動，三個氣缸按照此順序動作，最終完成對集流片的預(yù)折彎。

圖5 焊接工位機(jī)構(gòu)圖

圖6 預(yù)折彎工位機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1)采用高精度DD馬達(dá)驅(qū)動6工位轉(zhuǎn)盤，每個工位配備對應(yīng)的隨行夾具，單獨完成電芯上料、集流片上料、焊接、預(yù)折彎、折彎和成品下料工序，實現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化。

(2)整套設(shè)備實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，無需人工操作，只需人工對物料及設(shè)備進(jìn)行管理，節(jié)約了人力成本。

(3)該系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍按照6個工位中最長的時間即焊接時間計算，其他工位為獨立運(yùn)行，加工時間不累計。極大提高了生產(chǎn)產(chǎn)能，滿足生產(chǎn)廠家要求。

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2016-06-21

TG454

孫雷明，1980年出生，碩士，講師。主要研究方向為自動控制技術(shù)。