鋰電池電芯配對(duì)機(jī)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

陳云霞

摘要：針對(duì)鋰電池電芯組裝工藝段實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化的需求，開發(fā)一款電芯自動(dòng)配對(duì)機(jī)系統(tǒng)。選用西門子S7-1500 PLC+V90伺服的硬件控制方案，實(shí)現(xiàn)兩電芯的自動(dòng)裝配，同時(shí)對(duì)接工廠的MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的識(shí)別和產(chǎn)品追溯，保證兩電芯配對(duì)的穩(wěn)定性，生產(chǎn)節(jié)奏獲得有效的調(diào)節(jié)，有效降低人力成本且提高良品率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng);電芯配對(duì)機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0193-02

0? 引言

鋰電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、新能源汽車、儲(chǔ)能電源系統(tǒng)、軍事裝備、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。隨著節(jié)能環(huán)保新規(guī)定和政府利好政策的出臺(tái)，近年來，鋰電池在新能源汽車行業(yè)得到了飛速的發(fā)展，作為電動(dòng)汽車主要的技術(shù)突破方向，提升電池的安全性、壽命、低溫特性，降低成本是關(guān)鍵所在。配對(duì)機(jī)裝配的芯片，嵌入于一種方殼鋰電池，該鋰電池主要應(yīng)用在電動(dòng)車行業(yè)。

伴隨著大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提高良率和降低成本的總體發(fā)展趨勢(shì)，越來越多的行業(yè)通過自動(dòng)化的方式在生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)盡量減少人員干預(yù)。在目前鋰電池生產(chǎn)的過程中，電芯的配對(duì)還多采用人工或者半自動(dòng)化的方式進(jìn)行，這不僅限制了整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化進(jìn)程，也限制了MES系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在人力成本日益增長的情況下，智能的控制替代是技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

1? 控制要求

自動(dòng)電芯配對(duì)機(jī)對(duì)前道工序來料的兩個(gè)對(duì)稱AB電芯進(jìn)行配對(duì)組合，完成后再交給下一道生產(chǎn)工序。兩個(gè)對(duì)稱AB電芯，由不同的卷繞機(jī)繞制后經(jīng)過冷壓成型，放置在托盤的治具中，每個(gè)托盤放一個(gè)電芯，由物流線流轉(zhuǎn)至配對(duì)機(jī)的抓取工位，由阻擋器分隔兩個(gè)托盤位置可保證±2mm定位精度;抓取機(jī)械手一次將兩個(gè)電芯取放至中間的配對(duì)回流的托盤中（配對(duì)回流的托盤可放置兩個(gè)電芯，分別對(duì)應(yīng)AB電芯）。取完料的空托盤繼續(xù)前行，經(jīng)由托盤返板機(jī)送至下層物流線返回前道工序，掃碼后識(shí)別的NG電芯送至NG線由人工處理，由此完成了電芯入線——掃碼——配對(duì)綁定——電芯出線的所有功能。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方殼鋰電池電芯配對(duì)機(jī)包括上料裝置、配對(duì)結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。

上料裝置包括、轉(zhuǎn)動(dòng)座、吸盤結(jié)構(gòu)及導(dǎo)料槽，分別對(duì)用于配對(duì)的兩種電芯進(jìn)行供料。轉(zhuǎn)動(dòng)桿為長度伸縮結(jié)構(gòu)，在水平位置和豎直位置間圍繞第一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng);兩轉(zhuǎn)動(dòng)座分別設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)桿兩端，且圍繞與第一轉(zhuǎn)軸平行的第二轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng);兩轉(zhuǎn)動(dòng)座在轉(zhuǎn)動(dòng)桿豎直時(shí)，具有平行相對(duì)的安裝面，安裝面上設(shè)置有吸盤結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)桿水平時(shí)，兩安裝面水平且?guī)?dòng)吸盤結(jié)構(gòu)水平朝上設(shè)置;導(dǎo)料槽提供縱向的儲(chǔ)料艙體，儲(chǔ)料艙體供一列電芯自上而下排列，其中，導(dǎo)料槽的底部和頂部分別設(shè)置有供兩吸盤結(jié)構(gòu)進(jìn)入的開口端，且導(dǎo)料槽14上側(cè)壁的頂部和底部還分別設(shè)置供吸盤結(jié)構(gòu)帶動(dòng)所吸附的電芯水平移出的槽口。

配對(duì)結(jié)構(gòu)，接受來自上料裝置的供料，且執(zhí)行配對(duì)動(dòng)作。配對(duì)結(jié)構(gòu)包括（如圖1所示）：兩夾爪，分別用于對(duì)兩種電芯進(jìn)行抓取，夾爪包括沿直線水平相對(duì)靠近或遠(yuǎn)離的兩夾臂，夾臂提供水平的支撐面，以及相對(duì)于支撐面縱向相對(duì)靠近或遠(yuǎn)離的夾緊面，夾臂上還設(shè)置有與夾臂的移動(dòng)方向平行的限位面，用于將電芯限制在支撐面與夾緊面之間的設(shè)定范圍內(nèi)。夾臂的滑動(dòng)動(dòng)力為氣缸結(jié)構(gòu)，通過氣缸結(jié)構(gòu)帶動(dòng)一側(cè)的夾爪滑動(dòng)，另一側(cè)的夾爪固定設(shè)置，此種方式可使得一側(cè)的電芯得到穩(wěn)定的固定，而另一側(cè)的電芯的運(yùn)動(dòng)更加容易控制，從而可進(jìn)一步提高兩電芯配對(duì)的精度，且降低控制難度。

3? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮選用了與工廠的MES系統(tǒng)對(duì)接，西門子S7-1500 PLC+V90伺服的硬件控制方案，該控制系統(tǒng)具有快速處理、運(yùn)行準(zhǔn)確、易于維護(hù)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)一共配置了六個(gè)伺服軸，其中a、b、c為A側(cè)電芯的移動(dòng)、升降和間距控制伺服，另d、e、f為B側(cè)三個(gè)軸伺服。硬件組態(tài)如圖2所示。

伺服定位使用了西門子軟件集成的FB284簡(jiǎn)易定位塊功能，完成六個(gè)軸的定位控制;每個(gè)軸設(shè)有兩個(gè)極限和一個(gè)原點(diǎn)的傳感器用于超限保護(hù)和原點(diǎn)復(fù)位功能，建立坐標(biāo)系后每個(gè)軸分別都有對(duì)應(yīng)的抓料和放料的兩個(gè)定位點(diǎn)，只需在手動(dòng)移動(dòng)到合適的位置后，保存好對(duì)應(yīng)定位點(diǎn)的軸坐標(biāo)數(shù)值。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)直接寫入軸坐標(biāo)數(shù)值即可完成準(zhǔn)確定位。如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)有PROFACE觸摸屏一塊，用于參數(shù)設(shè)置和設(shè)備的操作，就近安裝于設(shè)備附近，頁面的主要功能如圖4所示。

4? 結(jié)束語

方殼鋰電池電芯配對(duì)機(jī)實(shí)現(xiàn)兩電芯的自動(dòng)裝配，盡管只是完成了簡(jiǎn)單的物理配對(duì)功能，但其中還隱含了重要的功能：AB電芯的物理配對(duì)組合，全程自動(dòng)化不需人工操作;配對(duì)前掃碼識(shí)別，完善了產(chǎn)品生產(chǎn)追溯;前段生產(chǎn)缺陷的NG得到有效排出;同時(shí)兼容不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂明珠.小型氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（11）：215-217.

[2]劉祚時(shí).打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2020（5）：113-115.

[3]于復(fù)生.基于S7-200 PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2013（8）：89-90.