李玥鋅 劉振國 郝瑞超 高士浩 郭小凡

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力鋰電池模組自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)，介紹了自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，氣缸和直線滑臺(tái)的選型過程，以西門子PLC為核心，采用掃碼器、光電傳感器、氣缸和伺服電機(jī)完成對(duì)電池模組的自動(dòng)移載動(dòng)作控制。本文的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用過程中通用性強(qiáng)，可靠性高，提高了動(dòng)力鋰電池模組生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，其開發(fā)過程為其他領(lǐng)域的自動(dòng)移載系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)移載;鋰電池;機(jī)械手爪;PLC控制

中圖分類號(hào)：TM911.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0202-05

0? 引言

新能源汽車動(dòng)力電池的生產(chǎn)過程主要分為三大工藝段：單體電芯制備（Cell）、電芯成組（Module）、電芯總裝（Pack）。近年來，國內(nèi)動(dòng)力電池模組段生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化、信息化、智能化水平大幅提升，精密裝配、自動(dòng)擰緊、物料配送等共性技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。本文著眼于電池模組段共性的電芯上下料工藝需求，開發(fā)一種可覆蓋工裝載具、輸送線和專用工藝設(shè)備三個(gè)物料站點(diǎn)的自動(dòng)移載設(shè)備。

本文提出的電池模組自動(dòng)移載設(shè)備自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)，并且詳細(xì)介紹了該移載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件選型和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，解決了非標(biāo)自動(dòng)移載，設(shè)計(jì)過程中缺乏系統(tǒng)、全面的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)的問題。該自動(dòng)移載設(shè)備來源于工程實(shí)際，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，移載設(shè)備需要將電池模組從工裝載具中移載至步進(jìn)線上。其中，每個(gè)工裝載具中放置三個(gè)電池模組，工裝載具通過輥筒線輸送，步進(jìn)線每次前進(jìn)兩個(gè)工位。本文擬定的開發(fā)步驟如下：

①根據(jù)設(shè)計(jì)輸入要求，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。

②進(jìn)行分析計(jì)算，機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)。

③輸出工程圖紙文件和BOM清單。

④物料下發(fā)采購、加工制造。

⑤裝配初調(diào)。

⑥現(xiàn)場終調(diào)，撰寫設(shè)備技術(shù)文檔。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要將電池模組從輥筒線工裝載具移至步進(jìn)線的定位工裝內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)要求及輸送線布局，采用跨線體桁架機(jī)械手形式的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)，其總體布局如圖1所示。

輥筒輸送線及工裝載具如圖2所示，工裝載具上放置三個(gè)模組，電池模組的長為355mm，寬為151mm，高度為108mm，重量為12kg。如圖3所示的步進(jìn)線，每次動(dòng)作將兩個(gè)模組運(yùn)送到下一工位。因此，設(shè)計(jì)移載機(jī)構(gòu)機(jī)械手每次抓取三個(gè)模組，先將兩個(gè)模組放置于步進(jìn)線上，另一個(gè)放置于緩存工位;再從下一個(gè)工裝載具上抓取三個(gè)模組，其中兩個(gè)先放置在步進(jìn)線上，另一個(gè)放置在緩存工位;然后機(jī)械手再抓取緩存工位的兩個(gè)模組移載至步進(jìn)線上，由此完成一次自動(dòng)移載作業(yè)。

如圖4所示的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)，包括桁架、橫移直線滑臺(tái)、升降直線滑臺(tái)和手爪機(jī)構(gòu)。其中手爪機(jī)構(gòu)包括三個(gè)夾爪，同時(shí)在工裝載具中抓取三個(gè)模組，1#和3#夾爪的模組放置在步進(jìn)線上，2#夾爪的模組放置在緩存工位上，如圖5所示。

本文的模組自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程如圖6所示。

2? 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)的手爪機(jī)構(gòu)包括三個(gè)夾爪，每個(gè)夾爪通過兩個(gè)氣缸作用加緊模組兩側(cè)。為防止金屬與電池模組直接接觸發(fā)生短路并損傷模組表面，夾爪內(nèi)側(cè)采用低硬度聚氨酯板與模組端面接觸，同時(shí)增大手爪加緊時(shí)的摩擦力。模組端面材質(zhì)為鋁合金，參考性質(zhì)相似非金屬材料的靜摩擦系數(shù)，設(shè)定低硬度聚氨酯板與模組端面的靜摩擦系數(shù)為μ=0.3，模組質(zhì)量為m=11kg，模組提升時(shí)單側(cè)所需壓力為：

考慮自動(dòng)移載手爪運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)情況，取夾爪氣缸加緊力的安全系數(shù)為δ=1.5，故氣缸的理論輸出力為：

根據(jù)本文夾爪氣缸的功能及安裝位置，充分考慮結(jié)構(gòu)剛性及手爪減重，選擇SMC的薄型帶導(dǎo)桿氣缸MGP系列。作業(yè)車間給定的氣缸工作時(shí)的壓縮空氣的壓力為0.5～0.7MPa，保證手爪使用安全可靠，取氣壓下限值0.5MPa。查閱SMC氣缸選型手冊(cè)，選擇缸徑為32mm的氣缸，其氣缸桿伸出和收回的理論輸出力分別為402N和325N，滿足抓取模組所需的理論輸出力。根據(jù)實(shí)際工作空間，氣缸行程25mm可以滿足使用要求，由此確定夾爪氣缸的型號(hào)為MGPM32-25Z-M9BL。

本文的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)手爪在實(shí)際使用過程中，需具備斷電保持功能，防止模組掉落，且夾爪氣缸為雙作用缸，所以選擇三位五通電磁閥，品牌型號(hào)為SMC的中泄閥SY7420-5GZ-02。氣缸無桿一側(cè)采用調(diào)速閥AS2201F-01-06SA，無桿一側(cè)采用單向閥調(diào)速閥ASP330F-01-06S。氣動(dòng)原理圖如圖7所示。

3? 直線滑臺(tái)及電機(jī)選型

本文自動(dòng)移載手爪的橫移和升降運(yùn)動(dòng)依靠直線滑臺(tái)搭配伺服電機(jī)進(jìn)行控制，下面分別對(duì)升降直線滑臺(tái)及電機(jī)和橫移直線滑臺(tái)及電機(jī)的選型進(jìn)行介紹。

3.1 移載手爪升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降直線滑臺(tái)采用豎直安裝形式，其負(fù)載為三個(gè)電池模組以及手爪機(jī)構(gòu)，其中，手爪機(jī)構(gòu)包括六個(gè)夾爪氣缸和若干機(jī)加件，夾爪氣缸MGPM32-25Z-M9BL經(jīng)查SMC手冊(cè)可知質(zhì)量為1.41kg。為減輕手爪重量，機(jī)加零件的材質(zhì)采用鋁合金6061，三維設(shè)計(jì)完成后通過SolidWorks軟件質(zhì)量屬性功能，計(jì)算出機(jī)加零件總質(zhì)量為15kg。手爪裝配所需的螺釘、氣管等附件質(zhì)量大約為3kg。故：

手爪機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量=電池模組質(zhì)量*3+夾爪氣缸質(zhì)量*6+機(jī)加零件質(zhì)量+附件質(zhì)量=11*3+1.41*6+15+3=59.46≈60kg。取安全系數(shù)η=1.5，則升降直線滑臺(tái)理論負(fù)載為90kg。

根據(jù)模組高度和手爪夾取位置確定升降直線滑臺(tái)的行程為250mm，重復(fù)定位精度±0.01mm。查閱直線滑臺(tái)選型手冊(cè)可知本文升降滑臺(tái)的型號(hào)為MF22C05-250，其豎直安裝最大負(fù)載為95kg，所配標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率為1000W，具體參數(shù)如表1所示。

3.2 移載手爪橫移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫移直線滑臺(tái)的負(fù)載為手爪機(jī)構(gòu)和升降直線滑臺(tái)組件，已知手爪機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量為60kg，查閱直線滑臺(tái)選型手冊(cè)可知升降直線滑臺(tái)及附件總質(zhì)量為30kg，取安全系數(shù)η=1.5，則橫移直線滑臺(tái)理論負(fù)載為（60+30）*1.5=105kg。根據(jù)輥筒線和步進(jìn)線的擺放位置，模組從輥筒線工裝載具到步進(jìn)線上料工位的距離為1200mm，故選擇橫移直線模組的行程為1500mm。考慮橫移直線滑臺(tái)負(fù)載及運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性，選擇用兩個(gè)直線滑臺(tái)完成移載手爪的橫移運(yùn)動(dòng)，如圖8所示，其中一個(gè)直線滑臺(tái)上安裝伺服電機(jī)動(dòng)力源，另一個(gè)為從動(dòng)件，起到導(dǎo)向和支撐作用。查閱選型手冊(cè)，選擇橫移直線滑臺(tái)的型號(hào)為MD17C135-1500，其重復(fù)定位精度為±0.05mm，所配標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率為750W，水平安裝最大負(fù)載為70kg，兩臺(tái)的負(fù)載為140kg，滿足使用要求，其基本參數(shù)如表2所示。

4? 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所選用的PLC控制器為西門子ET200SP系列 1512SP-1 PN型號(hào)PLC，此PLC的特點(diǎn)是集成了分布式I/O ET200SP模塊，為西門子1500系列PLC提供了良好的擴(kuò)展功能，適用于構(gòu)建控制設(shè)備數(shù)量多，控制點(diǎn)分散，通信距離遠(yuǎn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用西門子V90伺服控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池模組自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)在X軸方向的橫移運(yùn)動(dòng)和垂直方向的Z軸運(yùn)動(dòng)。在TIA Portal中可對(duì)PLC、V90伺服控制器組態(tài)和參數(shù)的配置，其通訊方式采用西門子111報(bào)文進(jìn)行通訊。在編寫程序時(shí)只需調(diào)用FB284程序塊即可。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

模組移載控制程序可分為“自動(dòng)控制模式”和“手動(dòng)控制模式”。自動(dòng)控制模式在工裝板到達(dá)移載工位時(shí)，光電傳感器檢測到到位信號(hào)，移載機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行模組移載動(dòng)作。通過“手動(dòng)控制模式”可手動(dòng)操作模組移載機(jī)構(gòu)進(jìn)行“橫移”“下降”“上升”等動(dòng)作。手動(dòng)控制界面如圖9所示。

HMI畫面的上部可對(duì)移載平移伺服，移載升降伺服，緩存臺(tái)伺服電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控;中間部分為移載伺服電機(jī)操作按鈕，下部為各氣缸的操作按鈕，如需手動(dòng)操作三軸移載機(jī)構(gòu)對(duì)線模組進(jìn)行抓取，按鈕點(diǎn)擊步驟如下;取模組位置—模組抓取高度—?dú)庾A緊—移載上升—放模組位置—?dú)庾λ砷_?？稍谑謩?dòng)模式下將模組抓取放置到線體上。

5? 機(jī)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)效果

根據(jù)上述自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，完成結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件加工及采購工作，在車間現(xiàn)場安裝完成動(dòng)力鋰電池模組自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)如圖10所示。本文所述的自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)調(diào)試完成后已投入正式生產(chǎn)，在使用過程中可靠性高，兼容性強(qiáng)，提高了電池模組的生產(chǎn)效率。

6? 結(jié)論

本文對(duì)鋰電池模組自動(dòng)移載機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了移載手爪氣缸和直線滑臺(tái)的選型過程，并通過PLC對(duì)移載機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，完成鋰電池模組在工裝載具、緩存臺(tái)和步進(jìn)線之間的周轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)在項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)施，能很好的適應(yīng)工廠作業(yè)環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡單靈活，通用性強(qiáng)，可靠性高，穩(wěn)定性好，大大提高了鋰電池模組生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。本機(jī)構(gòu)作為非標(biāo)自動(dòng)化領(lǐng)域的典型設(shè)計(jì)，其開發(fā)過程為其他領(lǐng)域的自動(dòng)移載系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鑫.我國新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及前景探析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（10）：6-7.

[2]李紹炎.自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線[M].二版.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[3]張寧菊，趙美林.自動(dòng)化生產(chǎn)線上下料裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（5）：135-138.

[4]王嘯東.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法解析[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011（1）：43-48.

[5]羅庚興，寧玉珊.氣動(dòng)安裝機(jī)械手的PLC控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（1）：82-84.