一種動力電池模組夾緊專機開發(fā)及優(yōu)化設計

（北京機械工業(yè)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(fā)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(chǎn)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(yè)發(fā)展迅速，但其整體技術(shù)水平并不高，并且產(chǎn)品的檔次、生產(chǎn)線自動化水平與歐美等發(fā)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(cè)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(cè)板安裝。實際生產(chǎn)中，多數(shù)廠家將此工序脫離于產(chǎn)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(zhì)、高可靠性的要求。針對這一現(xiàn)狀，本文研制了一種在線式全自動長短側(cè)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)長短側(cè)板的裝配工藝要求，在模組安裝短側(cè)板后，須用特定的夾緊力夾緊模組兩端，以便于安裝長側(cè)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(gòu)、提升機構(gòu)和下壓機構(gòu)三部分，如圖2所示。

夾緊專機的工作流程：

1）專機系統(tǒng)處于就位狀態(tài)；

圖1 電池模組結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 夾緊專機結(jié)構(gòu)示意圖

2）電池模組到位后，提升機構(gòu)升起至特定位置；

3）將兩塊短側(cè)板分別放至兩側(cè)的夾緊機構(gòu)上，接近開關(guān)檢測到位，吸盤吸附短側(cè)板；

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

5）兩側(cè)夾緊機構(gòu)再同時夾緊，當將電池模組夾緊至標準長度時，夾緊機構(gòu)保壓；

6）采用電動扳手安裝電池模組兩側(cè)的長短側(cè)板；

7）專機各機構(gòu)回原點。

1.1 夾緊機構(gòu)

夾緊機構(gòu)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(gòu)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(gòu)的動力源較合適。這樣可根據(jù)不同產(chǎn)品精準控制其參數(shù)，并可將夾緊工藝數(shù)據(jù)反饋至產(chǎn)線信息管理系統(tǒng)。

夾緊機構(gòu)在專機中采用對稱式結(jié)構(gòu)設計，分別位于電池模組短側(cè)板兩側(cè)。兩組夾緊機構(gòu)可聯(lián)動控制，實現(xiàn)同步夾緊，并可對夾緊行程和夾緊力雙參數(shù)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(gòu)端部布設真空吸盤，用于吸附待裝配的短側(cè)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(gòu)示意圖

1.2 提升機構(gòu)

提升機構(gòu)設計在夾緊機構(gòu)兩側(cè)，如圖4所示，其作用是提升夾緊機構(gòu)。當專機回原點時，在提升機構(gòu)的驅(qū)動下夾緊機構(gòu)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(gòu)將夾緊機構(gòu)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(chǎn)指令自動切換提升高度。為此，提升機構(gòu)仍采用電缸作為動力源，既可以滿足多規(guī)格電池模組的高度匹配要求，亦能實現(xiàn)狹小空間的安裝布局。

圖4 提升機構(gòu)示意圖

1.3 下壓機構(gòu)

將電池模組短側(cè)板作為受力面夾緊時，電池模組中間部分可能出現(xiàn)“上拱”現(xiàn)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(gòu)進行反變形抑制，可有效避免電池模組“上拱”現(xiàn)象，同時增加了夾緊機構(gòu)的強度。實際設計中，下壓機構(gòu)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(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

夾緊機構(gòu)作為夾緊專機的關(guān)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(gòu)的結(jié)構(gòu)進行了深入分析。

2.1 力學模型建立

根據(jù)夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和受力情況，取其關(guān)鍵件進行力學計算。夾緊機構(gòu)施壓時，滑塊處作為支撐端，移動板組件前端會形成翻轉(zhuǎn)力矩，可能造成移動板組件上翹現(xiàn)象，其受力如圖6所示。

圖6 移動板組件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(cè)為固定端，右端受旋轉(zhuǎn)力矩M作用，造成懸臂梁彎曲變形，假定其撓度為y，轉(zhuǎn)角為θ。

圖7 懸臂受力分析一

根據(jù)撓曲線微分方程和轉(zhuǎn)角方程[3]：

其中：

ω表示撓度；

M表示轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角θ：

將夾緊機構(gòu)中的各部分參數(shù)代入，得y=1.9mm，θ=0.0129rad。

根據(jù)上述計算分析，移動板組件已出現(xiàn)明顯變形。由設計經(jīng)驗判斷，移動板組件出現(xiàn)上翹現(xiàn)象幾率較大，理論計算結(jié)果與之相符。因此，下壓機構(gòu)在整個專機設計中是非常必要的。

設下壓機構(gòu)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(jù)撓曲線微分方程和轉(zhuǎn)角方程，得出作用力F與a滿足一下條件：

當a=L時，F(xiàn)min=240N。

通過計算可知，在理想狀態(tài)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(jù)結(jié)構(gòu)布局安排等綜合因素考慮，F(xiàn)作用點位置為a=9/11L時，結(jié)構(gòu)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(yōu)化

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

在不影響分析結(jié)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(gòu)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(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量設定為優(yōu)良，在移動板組件、推板等重要零部件應用網(wǎng)格控制提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量。

圖9 網(wǎng)格劃分結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，夾緊機構(gòu)的移動板組件出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，其形變約為1.4mm，形變參數(shù)與理論計算結(jié)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(gòu)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(shù)。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(diào)質(zhì)淬火熱處理。

圖10 仿真結(jié)果

在原仿真模型及網(wǎng)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?yún)?shù)進行求解，求解結(jié)果如圖11所示。

圖11 材質(zhì)變更后仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，通過添加下壓機構(gòu)、增加推板強度可以很好地解決目前的問題。由仿真結(jié)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(jù)現(xiàn)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(shù)n=4，則推力最小為1435N。經(jīng)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(xiàn)場工作場景下如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場專機實物圖

3 結(jié)語

本文利用SolidWorks建立電池模組夾緊專機的三維模型，并根據(jù)專機的施力特點，選擇對夾緊機構(gòu)這一重要部件進行了結(jié)構(gòu)分析和力學計算，得出了變形量及改進參數(shù)。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(jié)果與理論分析結(jié)論相符。最后，將理論分析的改進參數(shù)再次進行仿真驗證，由仿真結(jié)果判定變形量可忽略不計，優(yōu)化結(jié)果可行有效。在實際生產(chǎn)應用中，該專機系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較大兼容性，大幅提高了生產(chǎn)效率，具有行業(yè)推廣價值。