自動打磨技術(shù)在電池盒制造中的應(yīng)用

劉俊杰

自動打磨技術(shù)在電池盒制造中的應(yīng)用

劉俊杰

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201805）

電池盒作為電池載體，其質(zhì)量關(guān)乎電池系統(tǒng)的使用壽命，電池盒在制造過程中產(chǎn)生的毛刺、飛濺會影響電池包的安裝，從而需要進行打磨。文章主要針對新能源汽車電池盒在生產(chǎn)制造過程中運用到的打磨技術(shù)進行分析，結(jié)合打磨實例以及當(dāng)下打磨技術(shù)的狀況，介紹了基于某項目的自動打磨工位方案、系統(tǒng)組成。從電池盒需要運用打磨的必要性、打磨過程中運用到的自動打磨技術(shù)、打磨工位的布局等方面做出分析，為后續(xù)電池盒制造產(chǎn)線提供參考和指導(dǎo)。

新能源汽車；電池盒；自動打磨；機器人打磨方案

打磨是汽車制造過程中的一道工藝，一直以來金屬去量打磨大多還是靠人工完成。人工打磨產(chǎn)生的粉塵對人體健康極為不利，且打磨效率低[1]、工作強度大。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機器人的大范圍應(yīng)用，能夠有效地改善這一現(xiàn)象。越來越多的主機廠開始采用機器人打磨來替代人工打磨。工業(yè)機器人每天還可以連續(xù)工作20多個小時，工作期間不會受到其他限制性因素的干擾作用。工業(yè)機器人自動化打磨的工作特點顯著，即事先設(shè)定好操作程序，遵循固定的操作規(guī)律，保持工作的穩(wěn)定性，即便是出現(xiàn)了一些差錯，也只是某種程序化的差錯，容易及時地完成改善處理[2-3]。因此，使用工業(yè)機器人有利于大幅度地提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

1 新能源汽車電池盒在生產(chǎn)過程中運用打磨技術(shù)的必要性

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的日益高漲，各個車企都開始籌備自己的新能源戰(zhàn)略計劃[4]。電池包作為新能源汽車三電系統(tǒng)核心部件之一，其成本約占整車成本的三分之一。而電池盒作為電池載體，其質(zhì)量關(guān)乎電池系統(tǒng)的使用壽命。目前市場上電池盒材質(zhì)主要有鋼和鋁兩種。使用鋼材質(zhì)的電池盒連接工藝主要為鋼電阻點焊；使用鋁材質(zhì)的電池盒連接工藝為鋁弧焊、攪拌摩擦焊等[5]。無論是鋼材質(zhì)還是鋁材質(zhì)，連接工藝都是熱加工工藝，在實施過程中不可避免的會出現(xiàn)飛濺、毛刺。電池盒內(nèi)部需要安裝電芯、冷卻水管等，如果毛刺、飛濺不能及時去除，則電芯及水管在使用過程中會存在被刺破風(fēng)險，影響電池包使用。通過打磨技術(shù)去除毛刺、飛濺是電池盒生產(chǎn)過程中不可或缺的一道工藝，而電池盒需要進行打磨焊點數(shù)量又非常之多，如果選用傳統(tǒng)人工打磨的方式對需要打磨的焊點一一進行打磨會嚴重拉低生產(chǎn)效率，且總體人工成本很高，綜合考慮，選用工業(yè)機器人進行自動化打磨工作最為合適。

2 機器人打磨方案的設(shè)計

以某車型電池盒為例，為了能夠更好的實現(xiàn)機器人自動化打磨，需要對工藝過程做出合理的設(shè)計。

2.1 機器人打磨工藝方案設(shè)計

電池盒的打磨任務(wù)主要是針對電池盒內(nèi)部的毛刺、飛濺進行打磨，故在電池盒生產(chǎn)線完成所有連接工藝后需設(shè)置打磨工位對其進行打磨。此工位承上啟下，在上一工位完成總成工藝時，通過機器人抓手將其放到打磨工位中進行打磨，待打磨工藝完成后，再由機器人抓手抓起放到下一個工位去完成下一道工藝。

2.2 工藝方案布局

因電池盒需要打磨的焊點數(shù)量很多，故選擇兩臺打磨機器人同時對其進行打磨，這樣不僅可以提高打磨效率，還能保證打磨質(zhì)量以及生產(chǎn)節(jié)拍。打磨工位由打磨機器人、打磨裝置、打磨工裝臺、可自動換磨料的刀具庫、除塵裝置、安全房組成，具體工位布局如圖1所示。

圖1 打磨工位工藝布局

在上一工位完成總成連接工藝后，由抓手機器人放到打磨工位中的工裝定位臺上，待工件放到位后夾頭夾緊，兩臺打磨機器人靠近打磨，每臺機器負責(zé)一半?yún)^(qū)域的打磨任務(wù)，且每臺打磨機器人各配有一個磨料庫，里面有不同的磨料，可根據(jù)工作面材質(zhì)的不同，自動換取合適的材料。由于打磨過程是磨料與毛刺、飛濺的磨削過程，會出現(xiàn)細小飛塵顆粒以及工業(yè)煙氣，這些微小顆粒及煙氣會污染車間工作環(huán)境以及影響工人的身體健康。因此，打磨工位需設(shè)置安全房，避免飛塵以及煙氣外散，同時在工位內(nèi)打磨頭上設(shè)置除塵收集裝置，該裝置與工位外的除塵主機相連來達到洗塵除煙的目的。

2.3 打磨裝置的設(shè)計

打磨裝置與機器人六軸連接，針對不同打磨對象，打磨裝置的選擇設(shè)計也極其重要，打磨裝置針對平面與豎面的工作面可分為兩部分組成。連接法蘭、柔性力控裝置、電主軸連接板、電主軸可更換式刀柄、鋼絲刷的組成主要是針對平面工作面進行打磨，ATI連接板與ATI的組成是針對于豎面工作面進行打磨，具體如圖2所示。

圖2 打磨裝置

因?qū)ぷ髅孢M行打磨時會遇到凹凸不平的面，如果選擇剛性打磨裝置，其不具有自適應(yīng)能力，就需要機器人工程師根據(jù)工作面對打磨軌跡進行調(diào)試，這大大占用了項目調(diào)試階段時間。同時，在實際生產(chǎn)中零件會存在一定波動，使用剛性打磨裝置會導(dǎo)致過度打磨或者打磨不徹底。因此，自動打磨設(shè)備需要具備一定柔性。

某項目采用的柔性力控裝置可以在任一方向保持恒定外力，能夠提供精準位置反饋，具有重力補償功能。恒力浮動系統(tǒng)還具有很強的自適應(yīng)能力，具體表現(xiàn)如下：

1）可以自定義接觸力，互動地補償表面誤差達480 mm之多，確保一致的接觸力，無需調(diào)整機器人軌跡，這大大節(jié)省了前期軌跡調(diào)試時間。

2）能自動重力補償，可在不同工作姿態(tài)下保持定義的作用力，而且無需編程來補償重力變化的影響。

3）從動安全高速控制，使用內(nèi)置從動安全和高速控制的堅固的機械機構(gòu)、機電執(zhí)行器、傳感器能夠確保高度工藝安全性。

4）簡易的系統(tǒng)應(yīng)用集成，高質(zhì)量標準，標準通信接口使集成變得更簡易智能。實時反饋當(dāng)前接觸狀態(tài)、位置及實際接觸力，非常適用于質(zhì)量檢驗控制。

5）恒力浮動的介入大大降低了人工調(diào)試時間，不僅保證了打磨質(zhì)量，還提高了打磨效率。

因打磨過程中磨料會出現(xiàn)不可避免的磨損，在磨損達到一定程度時，如果不及時更換磨料就會對后續(xù)打磨質(zhì)量造成影響，而若選擇人工手動換磨料，會影響生產(chǎn)周期時間（Cycle Time, CT），拉低生產(chǎn)效率。所以自動化打磨裝置需配用可更換式刀柄，與刀具庫相配合，實現(xiàn)可自動更換磨料。

2.4 工裝定位臺設(shè)計

工裝定位臺作為承載工件進行打磨的裝置，其也是保證打磨質(zhì)量的關(guān)鍵，在設(shè)計過程中需要考慮工件外形、生產(chǎn)車型數(shù)量等因素。因現(xiàn)代的一條汽車生產(chǎn)線體，往往承載著若干車型，所以在打磨工位中，工裝定位臺也要實現(xiàn)能承載若干車型的功能，這也大大增加了工裝定位臺的復(fù)雜性，且需要保證每個車型工件的精準定位，這就需要每個定位銷都需要安裝在精準位置，在保證了其精準定位的條件下，還需要實現(xiàn)自動化，其夾頭與氣缸相連接，接入系統(tǒng)，在抓件放件時實現(xiàn)自動開關(guān)夾具功能，與機器人相配合，實現(xiàn)自動化打磨。如某項目中設(shè)計出了這種可同時滿足4種電池盒打磨的工裝定位臺，如圖3所示。

圖3 工裝定位臺

2.5 除塵系統(tǒng)

在打磨過程中會產(chǎn)生大顆粒飛濺和小顆粒浮塵以及加工煙氣，這些飛塵以及金屬煙氣里面包含很多有害材質(zhì)，不僅影響車間空氣質(zhì)量還會危害人體健康，而金屬煙氣污染處理設(shè)施和機械清潔成本又很高，在打磨過程中需要使用配套用的除塵系統(tǒng)。

除塵方案有兩種，一種是打磨房整體除塵；另一種是機器人工藝除塵。打磨房整體除塵是采用房間換氣除塵，是一種經(jīng)濟有效的解決方案。通過稀釋房間內(nèi)被污染的空氣，可有效減少空氣內(nèi)的浮塵對設(shè)備的影響，延長設(shè)備使用壽命。這種除塵方案需要在打磨工位周圍設(shè)置安全房，安全房設(shè)置自動卷簾門，在工件放到打磨工位里后，卷簾門關(guān)閉，實現(xiàn)全封閉自動打磨，工位外的除塵機通過吸塵管與打磨房連接，實現(xiàn)整體除塵目的。這種除塵方式的具體布局如圖4所示。

圖4 打磨房整體除塵

機器人工藝除塵是在打磨裝置上安裝特制吸口，在打磨過程中產(chǎn)生的飛塵顆粒與加工煙氣可以第一時間通過工位外的除塵機被吸走，以此來達到除塵目的。這種除塵方式更直接便利且效率很高，具體布局方案如圖5所示。

圖5 機器人工藝除塵

2.6 打磨效果

某項目中，現(xiàn)場通過對打磨機器人程序的設(shè)定以及打磨軌跡的不斷優(yōu)化，打磨的效率及打磨質(zhì)量都很穩(wěn)定，打磨效果也達到了產(chǎn)品設(shè)計需求，打磨前后對比如圖6所示。

圖6 打磨前后對比

3 總結(jié)

自動化打磨工位的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)打磨的方式，由工業(yè)機器人代替了人工，對于工業(yè)打磨技術(shù)來說也是一次全新的突破，這次打磨方案的設(shè)計，不僅降低了工作強度，還改善了現(xiàn)場的工作環(huán)境，既保證生產(chǎn)效率又保證了打磨質(zhì)量。本次項目通過采用機器人自動打磨，減少了現(xiàn)場2名操作工。這次打磨方案的設(shè)計，最大的特點為做到了創(chuàng)新，根據(jù)工件的特點，去設(shè)計專用打磨裝置、專用工裝定位臺、專用的工藝布局、磨料自動切換等，這也恰好反映出我國工業(yè)技術(shù)的進步。

[1] 李立秋.采用工業(yè)機器人對金屬制件去量打磨的實踐總結(jié)[J].中國設(shè)備工程,2021(22):20-21.

[2] 趙昊東.工業(yè)機器人鑄件打磨系統(tǒng)設(shè)計研究[J].南方農(nóng)機,2022,53(6):105-108.

[3] 李國棟,梁宇飛,陳振亞,等.針對鑄鐵管件毛刺的機器人打磨技術(shù)研究[J].鑄造,2022,71(1):94-98.

[4] 孫友,王彥鵬,袁海.基于焊縫特征的鋁合金車體自動打磨研究及應(yīng)用[J].今日制造與升級,2021(12):36-38.

[5] 謝昊澄,葛為民,程德響.針對機器人焊接飛濺缺陷的機器人打磨工藝研究及優(yōu)化[J].天津理工大學(xué)學(xué)報, 2021,37(5):18-22.

Application of Automatic Grinding Technology in Battery Tray Manufacturing

LIU Junjie

( Department of Vehicle Manufacturing Engineering, SAIC-GM Company Limited, Shanghai 201805, China )

As battery carrier, the quality of battery tray is related to the service life of battery system, the burr and splash generated will impact installation of battery tray and need grinding. This paper mainly analyzes the auto grinding use in the manufacturing process of battery tray, combine with the grinding example and the current status of grinding technology, introduce the automatic grinding station scheme and system composition based on a certain project. From the necessity of the grinding use in battery tray building, the automatic grinding technology use in the grinding process, the layout of the grinding station, etc., it is analyzed to provide reference and guidance for the subsequent battery tray line.

New energy automobile; Battery tray; Automatic grinding; Robot grinding scheme

TB49

A

1671-7988(2023)20-130-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.026

劉俊杰（1988－），男，工程師，研究方向為汽車制造技術(shù)，E-mail:Junjie6_Liu@saic-gm.com。