唐建林，康進昌，單明

（1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院；2.冠億精密工業(yè)（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300）

動力鋰電池保險絲自動裝配系統(tǒng)研究

唐建林1，康進昌2，單明1

（1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院；2.冠億精密工業(yè)（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300）

動力鋰電池用于新能源汽車領(lǐng)域，保險絲對鋰電池過度充電或短路起保護作用。針對18650鋰電池保險絲人工組裝效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定問題，研究了自動組裝工藝，并設(shè)計自動裝配系統(tǒng)，闡明了該自動裝配系統(tǒng)的工作原理，重點分析了用于自動裝配系統(tǒng)分度的凸輪分割器的選擇過程，并提出用EtherCAT總線技術(shù)控制自動裝配系統(tǒng)。

鋰電池；保險絲；自動裝配；凸輪分割器；EtherCAT

1 鋰電池原理及安全研究

鋰電池的研究始于20世紀(jì)80年代，它是指分別用兩個能可逆的嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構(gòu)成的二次電池，鋰電池的正極材料是氧化鈷鋰，負極是碳。鋰電池的工作原理即充放電原理：當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳層呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當(dāng)對電池進行放電時（即使用電池），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極，回正極的鋰離子越多，放電容量越高。充放電過程，就是鋰離子從“正極→負極→正極”的往復(fù)運動過程。

大電流過度充電或短路都有可能造成電池溫度的快速上升，鋰離子電池過度充電期間，活躍的金屬鋰沾積在電池的正極，其材料極大的增加了爆炸的危險性。因為鋰將有可能與多種材料起反應(yīng)而爆炸，包括電解液及陰極材料，如鋰/碳插層混合物與水發(fā)生反應(yīng)，并釋放出氫氣，氫氣有可能被反應(yīng)放熱所引燃。因此，鋰電池的充電安全成為焦點問題。一般采用保護電路、熱溫度系數(shù)保險絲或者在電池的正極與負極之間使用很薄的微孔膜材料（如聚烯烴），對電池進行充電保護。

TESLA電動車的電池采用松下NCA系列18650鈷酸鋰電池，單節(jié)電池容量3100mAh，85kW·h的MODELS的電池單元一共運用了8142個18650鋰電池，每一節(jié)鋰電池兩端均設(shè)有保險絲，當(dāng)電池出現(xiàn)過熱或電流過大時，保險絲會切斷，以此避免因某個電池出現(xiàn)異常情況時影響到整個電池包。

2 鋰電池保險絲及組裝工藝

如前所述，保險絲是保證鋰電池安全的重要措施，圖1為18650鋰電池保險絲的零件分解，圖2為其組裝之后的實物圖形。如果采用人工操作來完成組裝，需要通過“疊裝—疊裝—壓合—高度檢測—點焊—電流檢測”六道工序，整個操作過程通常需要30s，效率低且過度的依靠人工技術(shù)，產(chǎn)品容易產(chǎn)生缺陷。

圖1 鋰電池保險絲零件

圖2 保險絲組裝圖

圖3 為自動組裝工藝，相對于人工組裝，增加3個電磁振動盤上料工位（其中，第一個振動盤放中圈、第二個振動盤放上蓋、第三個振動盤放底座）、3個物料檢測工位、1個不良品抓取工位以及1個良品抓取工位，總計12個工位。這12個工位呈圓周陣列互成30度分布在一個直徑為800mm的轉(zhuǎn)動工作盤上，轉(zhuǎn)動工作盤選用合適凸輪分割器可實現(xiàn)30度分割角轉(zhuǎn)動。

圖3 鋰電池保險絲自動組裝工藝

3 自動裝配系統(tǒng)研究

根據(jù)鋰電池保險絲自動組裝工藝設(shè)計自動裝配系統(tǒng)，如圖4所示，基架為帶滾輪箱體基架，其內(nèi)部布置系統(tǒng)電路，工位轉(zhuǎn)動機構(gòu)上設(shè)有由凸輪分割器驅(qū)動的工作盤和12個工位?；苌媳砻嬉粋?cè)設(shè)有控制工位轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動及執(zhí)行工位操作的程序控制器，供料機構(gòu)、物料檢測機構(gòu)、高度檢測機構(gòu)、激光焊機、電流檢測裝置、篩選單元、取料檢驗機構(gòu)等組裝機構(gòu)圍設(shè)在工作盤的周圍，且對應(yīng)各工位。物料檢測機構(gòu)主要用于檢測工位內(nèi)是否有物料，高度檢測機構(gòu)用于檢測壓合之后保險絲的高度（標(biāo)準(zhǔn)高度為4mm），激光焊機用于將上蓋、中圈及底座三件焊在一起形成保險絲，電流檢測裝置對保險絲進行通電，以檢驗前面焊接工序的質(zhì)量，篩選單元包括電流檢測合格的良品抓取機構(gòu)以及電流檢測不合格的不良品抓取機構(gòu)。工作盤逆時針轉(zhuǎn)動，將位于工位上的保險絲組件依次輸送至組裝機構(gòu)的各機構(gòu)實現(xiàn)自動組裝。

圖4 自動裝配系統(tǒng)

三組供料機構(gòu)，每組供料機構(gòu)包括電磁驅(qū)動振動盤、入口與振動盤出口相連通的兩條流道、位于流道出口并接收流道輸出物料的供料座以及將供料座上的物料搬運至工位上的機械手機構(gòu)。

圖5 自動裝配系統(tǒng)局部放大

如圖5所示，供料座通過氣缸控制可水平滑動，且其滑動方向與流道的輸出方向垂直，供料座上具有與兩平行流道相對應(yīng)的兩個承接口。供料座具有第一位置和第二位置。在第一位置下，承接口對著相應(yīng)的流道出口，從而流道內(nèi)的物料輸送至供料座內(nèi)，氣缸控制供料座移動，使得供料座處于第二位置下，承接口偏離流道的出口，避免流道內(nèi)的物料繼續(xù)向承接口輸送，也便于機械手機構(gòu)精確將物料搬至工位上。

由于鋰電池保險絲是由上蓋、中圈、底座疊裝并焊接在一起，為便于自動組裝，振動盤1上料工位放置中圈，振動盤2上料工位放置上蓋，振動盤3上料工位放置底座，這樣的放置順序主要考慮到在振動盤2上料工位方便電磁吸盤將上蓋搬至振動盤3上料工位。由于在振動盤2上料工位上蓋的正反面關(guān)系，在機械手機構(gòu)下方設(shè)有攝影單元，且攝影單元與程序控制器相連接。當(dāng)轉(zhuǎn)動吸盤將上蓋搬起時，攝影單元就在下方對其進行拍攝，并且將相應(yīng)信息傳送給程序控制器，程序控制器驅(qū)動伺服電機，讓相應(yīng)轉(zhuǎn)動吸盤轉(zhuǎn)動一定角度，放入工位內(nèi)，與中圈疊裝在一起，工作盤在凸輪分割器的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動30度，去接振動盤3上料工位的底座?？紤]到上蓋、中圈、底座三件疊裝關(guān)系，每個工位上有四個料孔，在振動盤3上料工位處，需將其中兩個料孔中上蓋和中圈組成的組件整體搬至另外兩個料孔中的底座上，并轉(zhuǎn)動進入下一工位，先后通過壓合工位、高度檢測機構(gòu)。合格的，通過激光焊機焊接，再轉(zhuǎn)入電流檢測裝置。合格的由良品抓取機構(gòu)抓取收集；不合格的，由不良品抓取機構(gòu)抓取收集，最后通過取料檢測機構(gòu)檢測取料是否成功，取料不成功的，發(fā)出報警提示操作人員。

實現(xiàn)自動裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵之一在于凸輪分割器的選型，即根據(jù)分割器定位等份數(shù)、輸入軸轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)時間與定位時間比、凸輪曲線角加速度、入力扭矩系數(shù)、工作盤質(zhì)量、工位質(zhì)量、工件質(zhì)量、工作盤回轉(zhuǎn)直徑、工位及工件回轉(zhuǎn)直徑等參數(shù)，計算工作負載，確定分割器輸入軸扭矩、功率，進而確定其輸出軸扭矩、輸入軸與輸出軸距離等參數(shù)，具體選型，涉及到計算公式及過程如下：

式中，tT為計算負載、iT為慣性扭矩、fT為摩擦扭矩、wT為做功扭矩。

式中，I為總轉(zhuǎn)動慣量、1I為工作盤轉(zhuǎn)動慣量、2I為工位轉(zhuǎn)動慣量、3I為工件（保險絲上蓋、中圈、底座）轉(zhuǎn)動慣量、β為輸出軸最大加速度、mA為凸輪曲線角加速度、N為分割器定位等份數(shù)、 為驅(qū)動角（跟回轉(zhuǎn)時間與定位時間比k有關(guān)，若 1:2k= ，則驅(qū)動角、n為輸入軸轉(zhuǎn)速。

式中，1m為工作盤質(zhì)量、2m為工位質(zhì)量、3m為工件（保險絲上蓋、中圈、底座）質(zhì)量、1r為工作盤回轉(zhuǎn)半徑、2r為工位回轉(zhuǎn)半徑、3r為工件（保險絲上蓋、中圈、底座）回轉(zhuǎn)半徑。

式中，μ為摩擦系數(shù)、m為正壓質(zhì)量、R為摩擦處的旋轉(zhuǎn)半徑。

此裝配系統(tǒng)設(shè)計中，fT可忽略，由于工作盤沒有攜帶其它負載，故wT也為零。

式中，eT為實際負載、cf為安全系數(shù)（一般取1．5）。

式中，T為輸入軸扭矩、mθ為入力扭矩系數(shù)、caT為啟動力矩（此例為零）。

式中，P為輸入軸計算功率、EP為輸入軸實際功率、為效率。

在本裝配系統(tǒng)設(shè)計中，輸出軸扭矩大于eT即可，輸入軸與輸出軸的距離可選100，根據(jù)實際安裝距離可調(diào)整。

回轉(zhuǎn)時間與定位時間比 1:2k= ，設(shè)定回轉(zhuǎn)時間0．5秒，定位時間1秒，則整個組裝完成需要時間18秒，由于供料機構(gòu)為雙流道，平均組裝一件保險絲所用時間9秒，相對人工操作完成一件組裝所需時間30秒，效率大大提高并且質(zhì)量穩(wěn)定。

本裝配系統(tǒng)的電氣控制可采用PLC控制，考慮智能制造趨勢，電氣控制還可采用基于EtherCAT總線技術(shù)的智能控制技術(shù)，控制器可采用臺灣研華寶元數(shù)控有限公司研制的ALL IN ONE集成控制器，并配備PC Sever，實現(xiàn)多工位在線控制。

4 結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)自動化是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，本文針對鋰電池保險絲組裝設(shè)計的自動裝配系統(tǒng)，解決了人工作業(yè)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定問題，提出的EtherCAT總線控制技術(shù)為系統(tǒng)的進一步智能化改造指明了方向。

[1]顧忠． 電動汽車核心動力鋰電池深度研究[J]． 電動自行車，2009（06）．

[2]楊裕生． 電動車技術(shù)與動力鋰電池[J]． 電動自行車， 2009（06）．

[3]易平． 基于四工位轉(zhuǎn)盤凸輪分割器的選型與應(yīng)用[J]． 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化， 2017．

[4]劉志鑫． 基于EtherCAT的開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究．華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014．

TM912

A

1671-0711（2017）10（下）-0127-03

基金支持：本研究成果受昆山登云科技職業(yè)學(xué)院2015年蘇州市優(yōu)秀新專業(yè)機電一體化技術(shù)建設(shè)資金支持。