一種方形電芯模組自動化裝配線集成方案設(shè)計

劉綠軍，靳盼盼

（江蘇金壇綠能新能源科技有限公司，江蘇 常州 213200）

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會對外發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2018年，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成127萬輛和125.6萬輛，比上年同期分別增長59.9%和61.7%。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)化和運營商業(yè)化的蓬勃發(fā)展，動力電池裝機量也在快速攀升，2018年動力電池企業(yè)總裝機量達57.35GWh，同比增長57%，其中新能源乘用車動力電池裝機量達32.86GWh，同比增長137%，占總裝機量的57.3%，成為動力電池的主要需求增長點。當前，電池模組的技術(shù)路線選擇也已處于臨變的重要關(guān)口，方形電芯無論是在機械特性、能量密度、倍率性、循環(huán)壽命、熱管理、充放電特性等方面均優(yōu)于圓形電芯，也因此成為新能源汽車增加續(xù)航里程和解決安全隱患的更優(yōu)解，威馬汽車EX5、蔚來汽車ES8便使用了符合VDA（德國汽車工業(yè)聯(lián)合會）規(guī)格的方形電芯，穩(wěn)定性和安全性均優(yōu)于現(xiàn)在純電動車上主流使用的18650型圓形電芯。但方形電芯模組的生產(chǎn)一致性、制造成本和產(chǎn)線產(chǎn)能始終是制約該項技術(shù)得以廣泛推廣的瓶頸，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)遠遠不能滿足產(chǎn)能、成本和質(zhì)量要求，因此，自動化、智能化、集成化的方型電芯模組裝配線需求迫在眉睫。

1 產(chǎn)線設(shè)計原則

1.1 對象及規(guī)格

威馬汽車EX5、蔚來汽車ES8所采用的電芯模組，采用的是德國汽車工業(yè)聯(lián)合會標準（VDA標準），針對不同車型，VDA一共定義了5種方形電芯的尺寸，詳見表1。

表1 VDA方形電芯尺寸

考慮到既要兼顧當前行業(yè)主流電芯和模組規(guī)格，又要根據(jù)行業(yè)標準考慮不同車型適用的電芯和模組的規(guī)格，并在可拓展尺寸上留有余量，因此，本次設(shè)計選擇適用的電芯規(guī)格詳見表2。

表2 電芯適用規(guī)格

模組尺寸見表3。

表3 模組適用規(guī)格

1.2 工藝先進性

本次設(shè)計以自動化、智能化、柔性化為目標，自動化裝備系統(tǒng)集成了當代最前沿的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)、機器視覺定位系統(tǒng)、激光焊接控制系統(tǒng)、AGV物流輸送系統(tǒng)和智能檢測等多項高新技術(shù)，配合工廠MES系統(tǒng)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、質(zhì)量追溯，實時掌控計劃、工藝、設(shè)備運行等信息情況，建立起規(guī)范的生產(chǎn)管理信息平臺，確保產(chǎn)品生產(chǎn)一致性，降低制造成本，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代化的工業(yè)美感。

面對當前電芯、模組訂單批量小、規(guī)格多、標準模糊的問題，在產(chǎn)線設(shè)計時要確保適當?shù)淖詣踊潭群涂缮壙臻g。系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，每個功能區(qū)域都根據(jù)工藝流程要求規(guī)劃設(shè)計成不同的模塊，各個模塊既能獨立運行，也能集中控制，并且每個模塊的接口一致，可根據(jù)產(chǎn)線工作量的大小和裝備項目內(nèi)容進行擴展。單機化、模塊化設(shè)計，靈活、柔性強、美觀，方便后期工藝變更，焊接設(shè)備即可以在自動化產(chǎn)線上整體使用，也可以作為單機進行其它類型模組焊接。設(shè)備設(shè)有預(yù)留工位，后續(xù)可進行工藝增減、調(diào)整。

針對模組裝配過程中產(chǎn)生的各種異常情況，除主要功能單元采取主備設(shè)計外，還具有完備的應(yīng)急響應(yīng)能力及周全的異常處理機制，以保證系統(tǒng)異常時滿足生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)具備自恢復(fù)能力、支持錯誤處理、故障隔離，使某個模塊由于意外情況而引起故障不會導(dǎo)致其他模塊停止工作，當故障模塊恢復(fù)后，其可以重新使用此模塊的功能。

2 生產(chǎn)工藝流程

整個自動化裝配線工藝流程如圖1，先將來料未包膜的電芯四個大表面包上絕緣膜，同時實現(xiàn)電芯由來料紙箱到標準托盤的流轉(zhuǎn)，通過AGV機器人自動運送到產(chǎn)線上料工位。機器人抓取電芯、端板、端絕緣片、隔熱片上料，掃描電芯二維碼，檢測電芯電壓內(nèi)阻并進行替換補齊。電芯可根據(jù)配方要求進行翻轉(zhuǎn)，電芯、端絕緣片、端板進行等離子清洗和表面自動涂膠。機器人抓取涂膠后的電芯按串并聯(lián)關(guān)系堆疊電芯，使用高功率激光焊接機將模組側(cè)板與端板焊接牢固，焊后自動檢查側(cè)板焊縫質(zhì)量。在模組表面固定位置打印條碼，將電芯與模組數(shù)據(jù)綁定，測試焊后模組絕緣耐壓性能，對極柱拍照定位后，激光振鏡系統(tǒng)對電極進行清洗。匯流排組件由人工預(yù)置好并人工安裝到模組上端，激光振鏡系統(tǒng)將匯流排組件與電芯極柱焊接，焊后自動檢查并吸塵，自動測試模組絕緣耐壓性能和模組各電芯直流內(nèi)阻。人工安裝模組上蓋、LMU總成，并進行通訊測試，模組下線前采用視覺系統(tǒng)對模組高度和安裝孔距進行測量并判定，機器人自動抓取模組下線。

3 生產(chǎn)工藝設(shè)計

3.1 節(jié)拍設(shè)計

電芯包膜工位設(shè)置在線外，采用雙線對稱布局，機器節(jié)拍12ppm。電芯上料至側(cè)板激光焊接工位之間的各電芯工位采用步進式輸送線，每組4只電芯，電芯產(chǎn)能定義為18ppm。

當前主流新能源乘用車和物流車所采用的方案為12個電芯串聯(lián)的模組，如寶馬i3所使用的三星SDI方形電芯，共有8個模組組成，每個模組有12個電芯串聯(lián)，共計96個電芯串聯(lián)；蔚來ES8采用了寧德時代提供VDA-PHEV2方形鋁殼電芯,整個電池包是由32個模組，每個模組12個電芯,共384個電芯構(gòu)成。我們按照12電芯模組方案，18PPM產(chǎn)能，節(jié)拍約為39秒/模組，每日按兩班倒，每班10個小時，每天20小時計算即日產(chǎn)能1850個模組，每月25天即月產(chǎn)能46250，年產(chǎn)能55.5萬個模組。

3.2 裝配線主要裝配工藝

（1）電芯包膜。電芯包膜工藝采用模塊化設(shè)計，分7個獨立模塊：上料單元、包藍膜單元、頂蓋底部折邊、貼頂蓋、絕緣片與絕緣測試、厚度測試單元、下料單元，實現(xiàn)對電芯進行包膜、絕緣檢測、外形尺寸檢測，并將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫，用于后期追溯。由于是電芯上線裝配之前的預(yù)處理，因此，電芯包膜工位可以在線外設(shè)置。人工從紙箱取出未包膜電芯放入上料輸送線，通過翻轉(zhuǎn)進料、橫向、縱向移栽機構(gòu)將電芯推至包膜機構(gòu)的包膜位，包膜機將電芯四個大面全部包上絕緣膜，包膜完成后通過多工位移栽機構(gòu)將電芯自動依次抓取至折邊定位機構(gòu)和貼頂部絕緣片機構(gòu)，完成電芯側(cè)邊、頂邊和底邊的折邊及電芯頂部絕緣片的貼片，該工位可預(yù)留貼底部絕緣片的功能。通過進料傳輸線的進料傳輸及定位氣缸動作，配合絕緣測試機構(gòu)、尺寸測量機構(gòu)完成檢測及數(shù)據(jù)上傳。包膜、測試合格的電芯進入出料拉帶，人工裝入標準托盤。整個包膜工序采用雙通道對稱布局，雙通道獨立工作，互不干擾，采用快速換型設(shè)計，通過簡單更換夾具即可實現(xiàn)兼容產(chǎn)品的快速換型。

圖1 工藝流程

（2）電芯上料。電芯包膜和裝配線之間采用AGV物料傳輸，電芯周轉(zhuǎn)料盒為4×40=160顆電芯，標準托盤，料車自動定位。上料可采用雙工位設(shè)計，一備一用，料盒上下料與電芯上料同時進行。經(jīng)過機器視覺系統(tǒng)定位料盒中每組電芯的位置后，由六軸機器人夾爪每次從料盒中抓取4只電芯，放入輸送線旁的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將電芯旋轉(zhuǎn)90°后放入電芯輸送線的定位治具中。

（3）電芯篩選（OCV/IR測試）。電芯輸送線將定位治具傳送到定位點，步進平移機構(gòu)移動掃碼槍到各電芯二維碼位置，掃碼探針接觸電芯正負極進行OCV/IR測試，并將測試數(shù)據(jù)和電芯數(shù)據(jù)進行綁定上傳至MES系統(tǒng)，在聯(lián)機狀態(tài)下，由MES判斷是否合格，測試OCV和IR的標準使用MES中的數(shù)值，技術(shù)人員可以根據(jù)需要進行更改。NG電芯由機械手移至NG工位,機械手再從OK電芯預(yù)備工位抓取電芯補充，可根據(jù)工藝配方要求，選擇是否將電芯翻轉(zhuǎn)180°，補充電芯仍放置在原來位置。

（4）等離子清洗涂膠。上料機械手通過視覺定位系統(tǒng)精準的將電芯和端板放入輸送線的定位治具中，等離子火焰槍固定在XY伺服模組平移機構(gòu)上，控制平移機構(gòu)的移動軌跡，配合翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，對電芯和端板的正反面均進行等離子清洗，運動軌跡可根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)定。出膠計量閥固定在XY伺服模組平移機構(gòu)上，控制平移機構(gòu)的移動軌跡，對電芯和端板的表面涂膠，運動軌跡可根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)定。涂膠完成后，固定在平移機構(gòu)上的2D彩色視覺系統(tǒng)對涂覆的膠水外形進行視覺檢測，對膠水的顏色、無膠、斷膠、膠線過寬、過窄、膠線的位置進行判定處理。

（5）電芯堆疊。六軸機器人從電芯后處理線抓取端板和電芯放入堆疊治具中，治具左右、上下規(guī)整電芯，堆疊完成，堆疊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，堆疊完成的電芯模組至上料。

（6）側(cè)板激光焊接。側(cè)板絕緣片在輔助工位自動上料，靠近電芯一側(cè)進行等離子清洗和涂膠。涂膠完成后在待料位翻轉(zhuǎn)90°，六軸機器人抓取堆疊好的模組，先至極性檢測工位，測試OK后，再至側(cè)板待料位吸取處理好的側(cè)板，機器人抓取模組和側(cè)板與焊接工裝自動交互對接。焊接工裝自動裝夾、規(guī)整模組，使電芯極柱與工裝貼平，側(cè)板貼緊模組側(cè)邊，焊接機器人檢測側(cè)板與端板焊縫位置并測距。焊接機器人帶動激光器焊接四條焊縫，激光位移傳感器檢測焊接離焦量，CCD監(jiān)控焊接過程中焊接質(zhì)量，焊后焊接速度、焊接功率、焊接波形、離焦量、保護氣流量等參數(shù)上傳MES，滿足追溯要求。焊接完成后，六軸機器人從焊接工裝取出模組，移動至焊縫打磨工位，調(diào)整位置、角度，使四條焊縫分別對準拋光輪，打磨焊縫，并拍照確認焊縫是否合格。機器人將模組放入翻轉(zhuǎn)工位翻轉(zhuǎn)后，移至模組后組裝線，放入線上流轉(zhuǎn)的工裝板中。

（7）激光打碼。模組工裝板隨輸送線移動至定點位置，在模組側(cè)面打印條形碼、二維碼、文字標識等。

（8）絕緣耐壓測試。模組治具移動到絕緣耐壓測試工位，掃描模組條形碼，進行電芯極性判斷、相鄰兩個電芯正極間的絕緣阻抗、所有電芯正極與模組側(cè)板間絕緣阻抗、相鄰兩電芯正極間的耐壓測試、所有電芯正極與模組側(cè)板間耐壓測試，測試數(shù)據(jù)上傳MES。

（9）電芯極柱清洗。模組治具移動到極柱拍照位置，掃描模組條形碼，XY平臺帶相機拍模組MARK點，對每個極柱位置進行拍照記錄坐標。模組治具移動到極柱清洗位置，掃描模組條形碼，模組MARK點拍照找出極柱位置，極柱測距計算焦點后激光清洗極柱表面，記錄焦距、清洗參數(shù)上傳MES。

（10）匯流排組件安裝焊接。匯流排組件由人工預(yù)置好后配送到此工位，人工安裝到模組上端。模組治具移動到匯流排焊接工位，掃碼槍掃描模組二維碼，同時三維工作臺承載CCD抓取夾具上的Mark點，調(diào)取前拍照工位的數(shù)據(jù)，再進行測距，找出極柱位置，檢測匯流排焊接焦距。焊接工位伺服平臺帶動大功率振鏡焊接頭完成匯流排焊接，焊接參數(shù)上傳MES（焊接功率、焊接速度、離焦量、保護氣流量等），機器人帶動吸塵罩，貼近極柱作吸塵處理。模組治具移動到極柱拍照位置，掃描模組條形碼，XY平臺帶相機拍模組極柱焊縫，判斷焊縫外形是否合格。

（11）絕緣耐壓測試。模組治具移動到絕緣耐壓測試工位，掃描模組條形碼，探針接觸模組正負極和側(cè)板進行絕緣耐壓測試，測試數(shù)據(jù)上傳MES。

（12）直流內(nèi)阻測試。模組治具移動到直流內(nèi)阻測試工位，掃描模組條形碼，測試針床接觸模組電芯極柱，銅排連接模組正負極進行直流內(nèi)阻測試，測試數(shù)據(jù)上傳MES。

（13）上蓋安裝測試檢查。人工安裝模組上蓋，LMU總成，并進行通訊測試和外觀檢查，人工打印標簽并粘貼。

（14）模組下線。模組治具移動到模組下線工位，掃描模組條形碼，六軸機器人抓取模組放置到檢測平臺，模組治具回流。采用視覺系統(tǒng)對模組高度和安裝孔距進行測量和判定，機器人抓取模組放置到緩存棧板。

3.3 AGV輸送系統(tǒng)

AGV配送系統(tǒng)用于物料的配送及電池模組的下線，配送的物料包括電芯、端板、側(cè)板等物料。送料采用潛伏舉升式AGV+料車，通用組合選型規(guī)格為：電芯+料車重量≤800kg；端板、側(cè)板物料+料車重量≤100kg；電池模組、緩存區(qū)物料+料車重量≤800kg。

AGV物料配送系統(tǒng)由中央調(diào)度系統(tǒng)、AGV、充電系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)采用智能調(diào)度型AGV，正常在原材料拆包區(qū)或物料暫存區(qū)待命，等待呼叫信號，MES系統(tǒng)根據(jù)電芯、側(cè)板等原材料的使用情況給中央調(diào)度系統(tǒng)下達需求信號，中央調(diào)度系統(tǒng)把需求信息傳遞給在待命點的AGV，AGV自動運行至呼叫站點執(zhí)行裝載任務(wù)，根據(jù)所運物料的種類將滿料架運送至指定位置，將空料架運回模組下線區(qū)，依次循環(huán)。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。本項目控制系統(tǒng)采用分布式控制，集中信息采集，通過分布式IO將現(xiàn)場的信號和CPU連接起來，再通過總線將遠程的信息集中采集?？偩€系統(tǒng)采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的西門子PROFINET現(xiàn)場總線，把主站PLC、分布式IO、HMI等連接在一起組成現(xiàn)場樹狀控制結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)。使得現(xiàn)場布線和接線的工作強度大大降低，傳輸實時性大大提高，故障診斷能力更加靈活，網(wǎng)絡(luò)擴展更加方便。

裝配線控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集上位計算機服務(wù)器、PLC控制系統(tǒng)、AGV小車。PLC控制系統(tǒng)是以S7-1500系列PLC作為主站，ET200SP分布式IO等作為從站，現(xiàn)場傳感器及執(zhí)行機構(gòu)作為底層，觸摸顯示屏作為人機交互。

（2）控制系統(tǒng)功能說明。主控PLC選用西門子1500系列CPU1511-1PN，人機界面為西門子彩色12”觸摸屏。信號采集采用西門子ET200SP分布式IO模塊。項目由3套PLC系統(tǒng)控制，每條組裝線各一套PLC，測試區(qū)和緩存區(qū)一套PLC。系統(tǒng)之間通過Profinet實時通信，測試區(qū)配有監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)、安全信息等，并可以本地存儲及上傳至車間MES系統(tǒng)。

各手動工位配置的觸摸顯示屏上集成操作按鈕，操作信息可以通過觸摸顯示屏直接傳遞給AGV調(diào)度系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)，由AGV調(diào)度系統(tǒng)給工位分配小車，系統(tǒng)之間采用TCP/IP協(xié)議。對于自動工位，執(zhí)行動作由機器人執(zhí)行，動作完成后機器人傳達至PLC，PLC再通過MES系統(tǒng)傳達AGV調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)工位無人化。自動工位設(shè)置急停按鈕及安全光柵保護系統(tǒng)安全。

人機界面采用西門子彩色HMI和觸摸一體機顯示屏，通過面板可以實現(xiàn)：查看設(shè)備運行狀態(tài)，如工位運行狀態(tài)、AGV運行狀態(tài)、測試結(jié)果等；故障診斷，設(shè)備出現(xiàn)故障時，觸摸屏會顯示相應(yīng)的故障信息及處理方法。工藝參數(shù)設(shè)定，工藝參數(shù)設(shè)定會根據(jù)安全級別設(shè)定密碼。設(shè)備工藝信息顯示、總節(jié)拍、循環(huán)時間、工件計數(shù)等。

3.5 MES系統(tǒng)集成

通過MES子系統(tǒng)的建設(shè)，強化生產(chǎn)過程管理和控制，與工廠MES系統(tǒng)進行協(xié)同工作，建立起規(guī)范的生產(chǎn)管理信息平臺，使企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場控制層與管理層之間的信息互聯(lián)互通，提高工廠異常反應(yīng)速度。實現(xiàn)產(chǎn)線智能化、無紙化，打造智能化生產(chǎn)車間，提升企業(yè)智能制造信息化水平。

MES子系統(tǒng)主要配合工廠MES實現(xiàn)整體的功能需求，功能主要包括：數(shù)據(jù)管理（包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)追溯）、計劃管理、人員管理、配方管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理以及看板管理等功能。

（1）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理功能包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)追溯及數(shù)據(jù)報表。數(shù)據(jù)采集是將各工位生產(chǎn)數(shù)據(jù)與來料信息一起存入數(shù)據(jù)庫，用于報表統(tǒng)計、質(zhì)量追溯等，與工廠MES系統(tǒng)進行協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)將產(chǎn)線生成的模組相關(guān)信息包括模組型號、模組流水號、裝配線托盤編號等存入數(shù)據(jù)庫中。報表統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行組合查詢和統(tǒng)計，生成生產(chǎn)、質(zhì)量和設(shè)備報表，其中生產(chǎn)報表分為生產(chǎn)數(shù)據(jù)列表、設(shè)備數(shù)據(jù)列表、模組以及設(shè)備的echarts圖。

（2）人員管理。人員管理功能主要用于建立用戶并為用戶分配相應(yīng)權(quán)限。系統(tǒng)中預(yù)設(shè)三級權(quán)限，可以在操作界面中進行用戶及相應(yīng)權(quán)限的編輯。

（3）計劃管理。計劃管理功能主要用于接收工廠MES發(fā)送的計劃信息并與相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)進行綁定并上傳到工廠MES服務(wù)器。主要功能包括班組生產(chǎn)的啟動與停止、計劃的下發(fā)與結(jié)束以及計劃的清除。生產(chǎn)計劃主界面分為三部分：生產(chǎn)啟動設(shè)置、未啟動計劃數(shù)據(jù)、已啟動計劃數(shù)據(jù)。

生產(chǎn)計劃新增：根據(jù)主工單編號與計劃編號到數(shù)據(jù)庫中查詢屬于該工單編號的相關(guān)數(shù)據(jù)， 插入計劃表中，并在未啟動計劃區(qū)域中顯示出來。

生產(chǎn)計劃下發(fā)：生產(chǎn)計劃下發(fā)包括兩部分，一是同步模組信息，二是下發(fā)生產(chǎn)計劃。點擊同步按鈕時，若輸入的模組批次代碼與等級代碼不存在，系統(tǒng)會做出提示。若同步成功，會將信息記錄到數(shù)據(jù)庫表中。模組數(shù)據(jù)成功同步后，方可對計劃進行下發(fā)。模組信息的具體型號與數(shù)量根據(jù)成品型號的不同而變化。

（4）設(shè)備管理。設(shè)備管理主要用于控制整線設(shè)備的啟停，并記錄及顯示各設(shè)備的運行情況、報警信息及保養(yǎng)維護信息等。

（5）看板管理?？窗骞芾砉δ芄芾懋a(chǎn)線上所有的LED看板，運用WEBSOCKET技術(shù)集成看板與服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時推送顯示。

（6）交互管理。交互管理主要管理與工廠MES之間的交互方式的管理，目前支持的接口形式有數(shù)據(jù)庫、WebService、WebAPI等主流的接口形式，也可根據(jù)客戶具體需求開發(fā)對應(yīng)接口（可定制）。

（7）配方管理。配方管理功能用于對整線各工位的配方進行編輯存儲并根據(jù)產(chǎn)品型號方便切換整線生產(chǎn)配方。