一種動力電池模組夾緊專機開發及優化設計

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，隨著我國新能源汽車市場的迅猛發展，作為其核心部件的動力鋰電池的需求缺口也越來越大，我國已成為繼日本后第二大鋰電池生產和消費國家[1]。針對這一巨大的市場，眾多車企不吝投入巨資，雖然動力鋰電池的需求量驚人，行業發展迅速，但其整體技術水平并不高，并且產品的檔次、生產線自動化水平與歐美等發達國家還存在一定的差距[2]。在電池模組裝配過程中，因電芯累計誤差較大導致長短側板裝配工藝相對復雜，為解決此問題，須將電池模組沿長度方向夾緊以保持其長度尺寸的一致性，便于長短側板安裝。實際生產中，多數廠家將此工序脫離于產線外，采用半自動或純手工方式夾緊。但是，這兩種操作模式工作效率低，裝配后模組一致性較差，無法滿足汽車級電池模組對高品質、高可靠性的要求。針對這一現狀，本文研制了一種在線式全自動長短側板夾緊專機。

1 夾緊專機總體設計

常見動力電池模組的典型結構，如圖1所示。根據長短側板的裝配工藝要求，在模組安裝短側板后，須用特定的夾緊力夾緊模組兩端，以便于安裝長側板，同時管控電池模組的長度公差。為此，本夾緊專機采用在線式設計，主要分為夾緊機構、提升機構和下壓機構三部分，如圖2所示。

夾緊專機的工作流程：

1）專機系統處于就位狀態；

圖1 電池模組結構示意圖

圖2 夾緊專機結構示意圖

2）電池模組到位后，提升機構升起至特定位置；

3）將兩塊短側板分別放至兩側的夾緊機構上，接近開關檢測到位，吸盤吸附短側板；

4）一側的夾緊機構行至指定位置停止，另一側的夾緊機構向模組方向推進，移至特定距離后停止，下壓機構下壓夾緊機構；

5）兩側夾緊機構再同時夾緊，當將電池模組夾緊至標準長度時，夾緊機構保壓；

6）采用電動扳手安裝電池模組兩側的長短側板；

7）專機各機構回原點。

1.1 夾緊機構

夾緊機構是夾緊專機的核心部件，主要由夾緊電缸、推板、壓力承壓柱和吸盤構成，如圖3所示。由于夾緊專機須兼容不同型號的電池模組，電池模組對夾緊力及長度公差工藝要求不盡相同，因此采用電缸作為夾緊機構的動力源較合適。這樣可根據不同產品精準控制其參數，并可將夾緊工藝數據反饋至產線信息管理系統。

夾緊機構在專機中采用對稱式結構設計，分別位于電池模組短側板兩側。兩組夾緊機構可聯動控制，實現同步夾緊，并可對夾緊行程和夾緊力雙參數控制。這種控制模式可提高電池模組裝配公差的一致性。夾緊機構端部布設真空吸盤，用于吸附待裝配的短側板；為防止加壓時吸盤受力，設計了壓力承壓柱。

圖3 夾緊機構示意圖

1.2 提升機構

提升機構設計在夾緊機構兩側，如圖4所示，其作用是提升夾緊機構。當專機回原點時，在提升機構的驅動下夾緊機構處于流水線的上限位，進而不影響線上工裝載板通行；當專機運行時，提升機構將夾緊機構提升至夾緊位，為夾緊工步做好準備。實際應用中，因不同型號電池模組對應不同的提升高度，設備須按生產指令自動切換提升高度。為此，提升機構仍采用電缸作為動力源，既可以滿足多規格電池模組的高度匹配要求，亦能實現狹小空間的安裝布局。

圖4 提升機構示意圖

1.3 下壓機構

將電池模組短側板作為受力面夾緊時，電池模組中間部分可能出現“上拱”現象，導致電池模組外形尺寸超差。為解決此問題，夾緊專機上方增設下壓機構進行反變形抑制，可有效避免電池模組“上拱”現象，同時增加了夾緊機構的強度。實際設計中，下壓機構主要由下壓壓頭、下壓氣缸、導軌滑塊等組成，如圖5所示。

圖5 下壓機構結構示意圖

2 夾緊機構結構分析

夾緊機構作為夾緊專機的關鍵部分，并且其夾緊力達到3kN～4kN，施加載荷較大，因此本文從理論分析和有限元模擬兩方面對夾緊機構的結構進行了深入分析。

2.1 力學模型建立

根據夾緊機構的結構特點和受力情況，取其關鍵件進行力學計算。夾緊機構施壓時，滑塊處作為支撐端，移動板組件前端會形成翻轉力矩，可能造成移動板組件上翹現象，其受力如圖6所示。

圖6 移動板組件結構簡圖

移動板組件支撐端和受力端間距較大，這是典型的懸臂結構，將移動板組件簡化為懸臂梁，其受力如圖7所示，懸臂梁左側為固定端，右端受旋轉力矩M作用，造成懸臂梁彎曲變形，假定其撓度為y，轉角為θ。

圖7 懸臂受力分析一

根據撓曲線微分方程和轉角方程[3]：

其中：

ω表示撓度；

M表示轉矩；

E表示彈性模量；

I表示截面慣性矩。

則可得最大撓度y和轉角θ：

將夾緊機構中的各部分參數代入，得y=1.9mm，θ=0.0129rad。

根據上述計算分析，移動板組件已出現明顯變形。由設計經驗判斷，移動板組件出現上翹現象幾率較大，理論計算結果與之相符。因此，下壓機構在整個專機設計中是非常必要的。

設下壓機構施加作用力為F，其作用點位于距離固定端a處，如圖8所示。

圖8 懸臂受力分析二

根據撓曲線微分方程和轉角方程，得出作用力F與a滿足一下條件：

當a=L時，Fmin=240N。

通過計算可知，在理想狀態下，當a=L時，即F作用點位于移動板組件最前端時，所施加的力最小。實際設計中，根據結構布局安排等綜合因素考慮，F作用點位置為a=9/11L時，結構設計合理，此時Fmin=359N。因此，下壓裝置施加作用力最小為359N。

2.2 仿真分析優化

本文采用SolidWorks軟件中Simulation模塊對夾緊機構進行有限元分析[4,5]。

在不影響分析結果的前提下，需要對原模型進行合理假設與簡化：設定所有參與仿真的零部件接觸為全局接觸，設定與導軌連接的螺紋間隙孔為固定幾何約束，在夾緊機構的夾緊壓頭上施加4000N的推力。對全局模型應用Meshing進行自動網格劃分，網格質量設定為優良，在移動板組件、推板等重要零部件應用網格控制提高網格劃分質量。

圖9 網格劃分結果

由仿真結果可知，夾緊機構的移動板組件出現上翹現象，其形變約為1.4mm，形變參數與理論計算結果y=1.9mm接近，證明上述理論計算分析有效，可采用增加下壓機構的方法解決上翹問題。同時，推板存在明顯變形，需要改變材料和參數。在設計允許的情況下，適當增加推板厚度，推板材料改為45號鋼并作調質淬火熱處理。

圖10 仿真結果

在原仿真模型及網格劃分的基礎上，將推板材料改為45號鋼。保持約束不變，在推板上方增加垂直向下的約束，作用力設為4Fmin=1435N。輸入參數進行求解，求解結果如圖11所示。

圖11 材質變更后仿真結果

從仿真結果可以看出，通過添加下壓機構、增加推板強度可以很好地解決目前的問題。由仿真結果可見，移動板組件末端同一位置仿真形變量約為0.001mm，推板變形量減至0.01mm，均可以忽略不計。

根據現場條件，并考慮設備成本，選擇氣缸作為下壓裝置的動力源，取安全系數n=4，則推力最小為1435N。經計算可知，在壓縮氣為0.5MPA時，氣缸缸徑63mm（氣缸推力1559N）可符合要求。夾緊專機現場工作場景下如圖12所示。

圖12 現場專機實物圖

3 結語

本文利用SolidWorks建立電池模組夾緊專機的三維模型，并根據專機的施力特點，選擇對夾緊機構這一重要部件進行了結構分析和力學計算，得出了變形量及改進參數。然后，運用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對部件進行了有限元分析，其分析結果與理論分析結論相符。最后，將理論分析的改進參數再次進行仿真驗證，由仿真結果判定變形量可忽略不計，優化結果可行有效。在實際生產應用中，該專機系統性能穩定，具有較大兼容性，大幅提高了生產效率，具有行業推廣價值。