電池蓋板自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

電池蓋板自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉軍華

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

針對(duì)電池蓋板與鎳帶的焊接，采用電阻焊機(jī)預(yù)固定，然后用超聲波焊機(jī)完成焊接。傳統(tǒng)的生產(chǎn)一般采用人工上料方式，阻礙了生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提升。設(shè)計(jì)的電池蓋板自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，主要由振動(dòng)送料組件、阻擋組件、抓取組件、推送機(jī)構(gòu)以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。通過實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，具備24 h連續(xù)工作能力，而且節(jié)約2個(gè)人工成本。

電池蓋板焊接自動(dòng)上料

0 序 言

將鎳帶與電池蓋板通過焊接連接起來，形成電池極片。焊接的方式有電阻焊、超聲波焊及激光焊等。電阻焊，通過正負(fù)電極對(duì)上下層金屬材料進(jìn)行快速加熱，熔化形成焊點(diǎn)[1-3]。超聲波焊或者激光焊容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，被大量應(yīng)用于電池焊接。超聲波焊接設(shè)備投入成本較低，是很多電池極片生產(chǎn)廠家首選的焊接方式[4-6]。

隨著新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池的需求量越來越大。傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)方式主要采用人工上下料，人工焊接操作，人工檢測(cè)，生產(chǎn)效率低下，人工容易疲勞，無法保證產(chǎn)品的品質(zhì)[7-8]。人工操作已經(jīng)不能滿足電池的現(xiàn)代化生產(chǎn)需求，急需對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，提高自動(dòng)化程度，盡量減少人工操作。

為解決上述問題，設(shè)計(jì)了電池極片的整套自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，主要由電池蓋上料機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤組件、超聲波焊機(jī)、鎳帶上料機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)機(jī)械加工件組成。其中電池蓋自動(dòng)上料是比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，文中將詳細(xì)分析該結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際生產(chǎn)中檢測(cè)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 焊接產(chǎn)品及設(shè)備總體設(shè)計(jì)

1.1 焊接產(chǎn)品

待焊產(chǎn)品為523450AHJ電池蓋板和鎳帶，電池蓋板(為組合體)與鎳帶焊接處材質(zhì)為純度99.7%的鋁，外觀尺寸33.8 mm × 5.25 mm，厚度0.6 mm；鎳帶材質(zhì)純度為99.6%，鎳帶寬度2.5 mm，厚度0.1 mm。需將二者焊接在一起，焊接位置如圖1所示，要求二者焊接牢固可靠，為增加導(dǎo)電率，焊接后二者接觸面積盡可能的大。焊接完成后，需對(duì)成品進(jìn)行導(dǎo)電性測(cè)試。

圖1a為電池蓋反面示圖，圖1b為電池蓋正面示圖，圖1c為焊接完鎳帶后的示意圖，圖中所示鎳帶即為鎳帶焊接位置。

圖1 焊接產(chǎn)品圖

1.2 設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

電池蓋和鎳帶的體積均較小，對(duì)于二者的焊接，因?yàn)殒噹Ш鼙?，故采用超聲波焊接。超聲波焊接速度較快，且焊接時(shí)接頭可將鎳帶和電池片壓緊，獲得更大的焊接面積和更好的焊接質(zhì)量，無需額外增加壓緊夾具。

超聲波焊接速度較快，電池蓋和鎳帶的焊接效率主要取決于二者的上料速度，鎳帶較薄且面積很小(焊接時(shí)鎳帶面積為8 mm × 2.5 mm)，鎳帶為整卷來料，需設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行裁切與送料，蓋板體積較小且形狀結(jié)構(gòu)不固定，為加快送料效率，需設(shè)計(jì)專用上料機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用振動(dòng)盤對(duì)其進(jìn)行上料。

如圖2所示，設(shè)備主要由電池蓋上料機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤組件、超聲波焊機(jī)、鎳帶上料機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)機(jī)械加工件組成。設(shè)備中轉(zhuǎn)盤組件為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，焊接完成后即下料。設(shè)備運(yùn)行流程為：①電池蓋上料；②轉(zhuǎn)盤組件旋轉(zhuǎn)一工位，傳感器檢測(cè)電池蓋有無；③轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一工位，鎳帶上料工位開始上鎳帶(包括裁切等)，同時(shí)將鎳帶和蓋板點(diǎn)焊焊在一起(電阻焊)；④轉(zhuǎn)盤組件再旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，超聲波焊機(jī)將鎳帶和蓋板完全焊接在一起，焊接完成后下料。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，電池蓋上料(此后重復(fù)①→④→①)。

整個(gè)焊接分為點(diǎn)焊和超聲波焊兩部分，用點(diǎn)焊預(yù)焊，可將鎳帶固定在蓋板上，然后通過超聲波焊，增加焊縫面積，即增加兩者的接觸面積，增加導(dǎo)電性。

圖2 設(shè)備總體視圖

2 電池蓋上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池蓋整體外觀尺寸為33.8 mm ×5.25 mm × 2.4 mm，尺寸較小，采用振動(dòng)盤上料方式，總體機(jī)構(gòu)如圖3a所示，主要由振動(dòng)送料組件、阻擋組件、抓取組件以及相應(yīng)機(jī)械加工件組成。電池蓋經(jīng)過振動(dòng)上料組件的分選排列，被抓取組件逐個(gè)抓取并放到轉(zhuǎn)盤組件上,蓋板上料機(jī)構(gòu)如圖3b所示。

2.1 阻擋組件設(shè)計(jì)

根據(jù)電池蓋板零件的形狀和體積,電池來料最終排列形式如圖4a所示，蓋板經(jīng)過振動(dòng)盤篩選后，逐個(gè)排列在直振料道上。在直振料道尾部增加阻擋機(jī)構(gòu)，可克服震動(dòng)送料時(shí)零件往前的沖力，可將蓋板限制在直振料道內(nèi)。阻擋機(jī)構(gòu)主要由底座、固定塊、擋塊、蓋板擋板以及彈簧等組成，固定塊和擋塊內(nèi)開有一螺紋孔，內(nèi)部塞由一彈簧，彈簧尾部用緊固螺釘將其固定在固定塊內(nèi)部，調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)變蓋板擋板的阻擋力。擋塊和蓋板擋板通過螺釘連接，二者的組合體置于固定塊上，通過等高螺絲將其連接。擋塊和蓋板擋板可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，擋塊形狀如圖4b所示，這種形狀具有限位功能，能限制蓋板擋板的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖3 電池蓋上料機(jī)構(gòu)

圖4 阻擋機(jī)構(gòu)

2.2 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池蓋板經(jīng)過阻擋機(jī)構(gòu)擋住后，抓取機(jī)構(gòu)內(nèi)的氣缸將蓋板夾緊，氣爪帶著蓋板往前運(yùn)動(dòng)。蓋板為組合體，蓋板擋板正好擋在蓋板的凸臺(tái)處，如圖5a所示，當(dāng)一個(gè)蓋板被取走以后，蓋板擋板即刻擋住下一個(gè)蓋板。抓取機(jī)構(gòu)主要由推送機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分組成，兩部分連接在一起，推送機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)被翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池蓋板由豎直向水平的姿態(tài)調(diào)整，蓋板最終被放置在周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，如圖5b所示，周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)后面增加推料機(jī)構(gòu)，可將周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的蓋板推入到隨行夾具內(nèi)。

2.2.1推送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推送機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩大部分組合在一起，形成整體。機(jī)構(gòu)主要由氣缸、緩沖器、槽板、隨動(dòng)凸輪、轉(zhuǎn)軸、線性滑軌以及相應(yīng)機(jī)械加工件組成。其中，槽板固定在線性滑軌組成的直線運(yùn)動(dòng)副上，線性滑軌固定在底座上，隨動(dòng)凸輪固定在連接塊上，連接塊和轉(zhuǎn)子固定在一起(二者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)),推送機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)圖如圖6所示。當(dāng)氣缸伸出時(shí)，會(huì)帶著槽板往右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)槽板可通過隨動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)連接塊運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))，通過調(diào)節(jié)緩沖器可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸行程的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的精確控制。

圖5 抓取機(jī)構(gòu)

圖6 推送機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)總圖

2.2.2翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池蓋板姿態(tài)的調(diào)整，即將電池蓋板翻轉(zhuǎn)90°。機(jī)構(gòu)主要由齒輪傳動(dòng)副、連接塊1，連接塊2、氣爪、盤形凸輪、接觸球、活動(dòng)撥桿以及相應(yīng)機(jī)械加工件組成，如圖7a所示，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)如圖7b所示。

接觸球固定在活動(dòng)撥桿上，可沿著活動(dòng)撥桿軸向方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)；氣爪固定在連接塊1上；連接塊1通過一根軸穿過連接塊2和齒輪固定在一起，齒輪的旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)連接塊1和氣爪的旋轉(zhuǎn)；圖7c中活動(dòng)撥桿和圖7a中左邊的齒輪通過軸A和連接塊2連接在一起，三者無相對(duì)滑動(dòng)，活動(dòng)撥桿與連接塊2之間配備一根扭簧，可使與活動(dòng)撥桿連接的接觸球始終與盤形凸輪接觸；盤形凸輪為起固定作用的零件，整個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，盤形凸輪固定。

推送機(jī)構(gòu)內(nèi)氣缸的運(yùn)動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度為90°,完成方向的姿態(tài)改變；轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，齒輪傳動(dòng)副和連接塊2，活動(dòng)撥桿等也繞著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中接觸球始終接觸盤形凸輪，活動(dòng)撥桿亦繞著齒輪的軸向方向旋轉(zhuǎn)，通過軸A帶動(dòng)整個(gè)齒輪傳動(dòng)副運(yùn)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)副將運(yùn)動(dòng)傳遞給連接塊1和氣爪，實(shí)現(xiàn)另一方向上的姿態(tài)改變，如圖7d所示。

圖7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)總圖

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)電池蓋板體積較小的特點(diǎn)，采取振動(dòng)盤上料方式，電池蓋經(jīng)過振動(dòng)上料組件的分選排列，被抓取組件逐個(gè)抓取并放到轉(zhuǎn)盤組件上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料。

(2)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的重要部分為凸輪機(jī)構(gòu)，可以自動(dòng)調(diào)整電池蓋板的角度，保證電池蓋與鎳帶的結(jié)合，為下一道工序的運(yùn)行提供保證。凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)中，自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)完成一個(gè)產(chǎn)品上料時(shí)間為2 s，且無需人工操作。極大提高了整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度，提高了生產(chǎn)效率。

[1] 王玉濤，龐 松，樊彥良，等.超聲波焊接技術(shù)在鋰離子電池行業(yè)中的應(yīng)用[J].電池，2012，42(6)：350-351.

[2] 衣思平，許寶忠，李 梅，等.鋰離子蓄電池極耳的激光自動(dòng)焊接[J].電源技術(shù)，2005，29(2):80-81.

[3] 郭瑞鵬，楊戰(zhàn)利，李 遠(yuǎn).電阻焊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械制造文摘——焊接分冊(cè)，2015(1):35-38.

[4] 張 武，計(jì)遙遙，劉永剛，等.高強(qiáng)度雙相鋼窄搭接電阻焊焊接接頭失效分析[J].焊接，2015(3):49-52.

[5] 李青溪，趙 越，王 昕，等.鋁管擠壓電阻焊接頭微觀結(jié)構(gòu)及性能分析[J].焊接，2014(4):54-57.

[6] 謝俊峰，朱有利，黃元林，等.2A12與2A11鋁合金超聲波焊接工藝與組織研究[J].材料工程2015，43(3):54-59.

[7] 黃發(fā)喜，黃維博.一種自動(dòng)化上料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014(7):112-115.

[8] 劉曉雯.一種上料機(jī)械手及其翻轉(zhuǎn)齒輪研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014(23):115-117.

TG439.9

2017-06-21

劉軍華，1980年出生，碩士。主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)。