一種動力電池模組自動移載設(shè)備開發(fā)設(shè)計

李玥鋅 劉振國 郝瑞超 高士浩 郭小凡

摘要：本文設(shè)計了一種動力鋰電池模組自動移載機構(gòu)，介紹了自動移載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成，氣缸和直線滑臺的選型過程，以西門子PLC為核心，采用掃碼器、光電傳感器、氣缸和伺服電機完成對電池模組的自動移載動作控制。本文的自動移載機構(gòu)在實際使用過程中通用性強，可靠性高，提高了動力鋰電池模組生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，其開發(fā)過程為其他領(lǐng)域的自動移載系統(tǒng)設(shè)計提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自動移載;鋰電池;機械手爪;PLC控制

中圖分類號：TM911.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0202-05

0? 引言

新能源汽車動力電池的生產(chǎn)過程主要分為三大工藝段：單體電芯制備（Cell）、電芯成組（Module）、電芯總裝（Pack）。近年來，國內(nèi)動力電池模組段生產(chǎn)工藝的自動化、信息化、智能化水平大幅提升，精密裝配、自動擰緊、物料配送等共性技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。本文著眼于電池模組段共性的電芯上下料工藝需求，開發(fā)一種可覆蓋工裝載具、輸送線和專用工藝設(shè)備三個物料站點的自動移載設(shè)備。

本文提出的電池模組自動移載設(shè)備自動化程度高、通用性強，并且詳細(xì)介紹了該移載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、元件選型和電控系統(tǒng)設(shè)計的全過程，解決了非標(biāo)自動移載，設(shè)計過程中缺乏系統(tǒng)、全面的設(shè)計參考文獻(xiàn)的問題。該自動移載設(shè)備來源于工程實際，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，移載設(shè)備需要將電池模組從工裝載具中移載至步進(jìn)線上。其中，每個工裝載具中放置三個電池模組，工裝載具通過輥筒線輸送，步進(jìn)線每次前進(jìn)兩個工位。本文擬定的開發(fā)步驟如下：

①根據(jù)設(shè)計輸入要求，進(jìn)行總體方案設(shè)計。

②進(jìn)行分析計算，機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計。

③輸出工程圖紙文件和BOM清單。

④物料下發(fā)采購、加工制造。

⑤裝配初調(diào)。

⑥現(xiàn)場終調(diào)，撰寫設(shè)備技術(shù)文檔。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要將電池模組從輥筒線工裝載具移至步進(jìn)線的定位工裝內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)要求及輸送線布局，采用跨線體桁架機械手形式的自動移載機構(gòu)，其總體布局如圖1所示。

輥筒輸送線及工裝載具如圖2所示，工裝載具上放置三個模組，電池模組的長為355mm，寬為151mm，高度為108mm，重量為12kg。如圖3所示的步進(jìn)線，每次動作將兩個模組運送到下一工位。因此，設(shè)計移載機構(gòu)機械手每次抓取三個模組，先將兩個模組放置于步進(jìn)線上，另一個放置于緩存工位;再從下一個工裝載具上抓取三個模組，其中兩個先放置在步進(jìn)線上，另一個放置在緩存工位;然后機械手再抓取緩存工位的兩個模組移載至步進(jìn)線上，由此完成一次自動移載作業(yè)。

如圖4所示的自動移載機構(gòu)，包括桁架、橫移直線滑臺、升降直線滑臺和手爪機構(gòu)。其中手爪機構(gòu)包括三個夾爪，同時在工裝載具中抓取三個模組，1#和3#夾爪的模組放置在步進(jìn)線上，2#夾爪的模組放置在緩存工位上，如圖5所示。

本文的模組自動移載機構(gòu)動作流程如圖6所示。

2? 氣動系統(tǒng)設(shè)計

本文的自動移載機構(gòu)的手爪機構(gòu)包括三個夾爪，每個夾爪通過兩個氣缸作用加緊模組兩側(cè)。為防止金屬與電池模組直接接觸發(fā)生短路并損傷模組表面，夾爪內(nèi)側(cè)采用低硬度聚氨酯板與模組端面接觸，同時增大手爪加緊時的摩擦力。模組端面材質(zhì)為鋁合金，參考性質(zhì)相似非金屬材料的靜摩擦系數(shù)，設(shè)定低硬度聚氨酯板與模組端面的靜摩擦系數(shù)為μ=0.3，模組質(zhì)量為m=11kg，模組提升時單側(cè)所需壓力為：

考慮自動移載手爪運動過程中的運動情況，取夾爪氣缸加緊力的安全系數(shù)為δ=1.5，故氣缸的理論輸出力為：

根據(jù)本文夾爪氣缸的功能及安裝位置，充分考慮結(jié)構(gòu)剛性及手爪減重，選擇SMC的薄型帶導(dǎo)桿氣缸MGP系列。作業(yè)車間給定的氣缸工作時的壓縮空氣的壓力為0.5～0.7MPa，保證手爪使用安全可靠，取氣壓下限值0.5MPa。查閱SMC氣缸選型手冊，選擇缸徑為32mm的氣缸，其氣缸桿伸出和收回的理論輸出力分別為402N和325N，滿足抓取模組所需的理論輸出力。根據(jù)實際工作空間，氣缸行程25mm可以滿足使用要求，由此確定夾爪氣缸的型號為MGPM32-25Z-M9BL。

本文的自動移載機構(gòu)手爪在實際使用過程中，需具備斷電保持功能，防止模組掉落，且夾爪氣缸為雙作用缸，所以選擇三位五通電磁閥，品牌型號為SMC的中泄閥SY7420-5GZ-02。氣缸無桿一側(cè)采用調(diào)速閥AS2201F-01-06SA，無桿一側(cè)采用單向閥調(diào)速閥ASP330F-01-06S。氣動原理圖如圖7所示。

3? 直線滑臺及電機選型

本文自動移載手爪的橫移和升降運動依靠直線滑臺搭配伺服電機進(jìn)行控制，下面分別對升降直線滑臺及電機和橫移直線滑臺及電機的選型進(jìn)行介紹。

3.1 移載手爪升降機構(gòu)設(shè)計

升降直線滑臺采用豎直安裝形式，其負(fù)載為三個電池模組以及手爪機構(gòu)，其中，手爪機構(gòu)包括六個夾爪氣缸和若干機加件，夾爪氣缸MGPM32-25Z-M9BL經(jīng)查SMC手冊可知質(zhì)量為1.41kg。為減輕手爪重量，機加零件的材質(zhì)采用鋁合金6061，三維設(shè)計完成后通過SolidWorks軟件質(zhì)量屬性功能，計算出機加零件總質(zhì)量為15kg。手爪裝配所需的螺釘、氣管等附件質(zhì)量大約為3kg。故：

手爪機構(gòu)的總質(zhì)量=電池模組質(zhì)量*3+夾爪氣缸質(zhì)量*6+機加零件質(zhì)量+附件質(zhì)量=11*3+1.41*6+15+3=59.46≈60kg。取安全系數(shù)η=1.5，則升降直線滑臺理論負(fù)載為90kg。

根據(jù)模組高度和手爪夾取位置確定升降直線滑臺的行程為250mm，重復(fù)定位精度±0.01mm。查閱直線滑臺選型手冊可知本文升降滑臺的型號為MF22C05-250，其豎直安裝最大負(fù)載為95kg，所配標(biāo)準(zhǔn)電機功率為1000W，具體參數(shù)如表1所示。

3.2 移載手爪橫移機構(gòu)設(shè)計

橫移直線滑臺的負(fù)載為手爪機構(gòu)和升降直線滑臺組件，已知手爪機構(gòu)的總質(zhì)量為60kg，查閱直線滑臺選型手冊可知升降直線滑臺及附件總質(zhì)量為30kg，取安全系數(shù)η=1.5，則橫移直線滑臺理論負(fù)載為（60+30）*1.5=105kg。根據(jù)輥筒線和步進(jìn)線的擺放位置，模組從輥筒線工裝載具到步進(jìn)線上料工位的距離為1200mm，故選擇橫移直線模組的行程為1500mm?？紤]橫移直線滑臺負(fù)載及運動過程的穩(wěn)定性，選擇用兩個直線滑臺完成移載手爪的橫移運動，如圖8所示，其中一個直線滑臺上安裝伺服電機動力源，另一個為從動件，起到導(dǎo)向和支撐作用。查閱選型手冊，選擇橫移直線滑臺的型號為MD17C135-1500，其重復(fù)定位精度為±0.05mm，所配標(biāo)準(zhǔn)電機功率為750W，水平安裝最大負(fù)載為70kg，兩臺的負(fù)載為140kg，滿足使用要求，其基本參數(shù)如表2所示。

4? 電控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計所選用的PLC控制器為西門子ET200SP系列 1512SP-1 PN型號PLC，此PLC的特點是集成了分布式I/O ET200SP模塊，為西門子1500系列PLC提供了良好的擴展功能，適用于構(gòu)建控制設(shè)備數(shù)量多，控制點分散，通信距離遠(yuǎn)的自動化控制系統(tǒng)。本設(shè)計采用西門子V90伺服控制器驅(qū)動電機來實現(xiàn)動力電池模組自動移載機構(gòu)在X軸方向的橫移運動和垂直方向的Z軸運動。在TIA Portal中可對PLC、V90伺服控制器組態(tài)和參數(shù)的配置，其通訊方式采用西門子111報文進(jìn)行通訊。在編寫程序時只需調(diào)用FB284程序塊即可。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

模組移載控制程序可分為“自動控制模式”和“手動控制模式”。自動控制模式在工裝板到達(dá)移載工位時，光電傳感器檢測到到位信號，移載機構(gòu)自動進(jìn)行模組移載動作。通過“手動控制模式”可手動操作模組移載機構(gòu)進(jìn)行“橫移”“下降”“上升”等動作。手動控制界面如圖9所示。

HMI畫面的上部可對移載平移伺服，移載升降伺服，緩存臺伺服電機的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控;中間部分為移載伺服電機操作按鈕，下部為各氣缸的操作按鈕，如需手動操作三軸移載機構(gòu)對線模組進(jìn)行抓取，按鈕點擊步驟如下;取模組位置—模組抓取高度—氣爪夾緊—移載上升—放模組位置—氣爪松開?？稍谑謩幽Ｊ较聦⒛＝M抓取放置到線體上。

5? 機構(gòu)開發(fā)設(shè)計效果

根據(jù)上述自動移載機構(gòu)的設(shè)計流程，完成結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計、零部件加工及采購工作，在車間現(xiàn)場安裝完成動力鋰電池模組自動移載機構(gòu)如圖10所示。本文所述的自動移載機構(gòu)調(diào)試完成后已投入正式生產(chǎn)，在使用過程中可靠性高，兼容性強，提高了電池模組的生產(chǎn)效率。

6? 結(jié)論

本文對鋰電池模組自動移載機構(gòu)進(jìn)行了機械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，重點介紹了移載手爪氣缸和直線滑臺的選型過程，并通過PLC對移載機構(gòu)進(jìn)行控制，完成鋰電池模組在工裝載具、緩存臺和步進(jìn)線之間的周轉(zhuǎn)。本設(shè)計在項目現(xiàn)場實施，能很好的適應(yīng)工廠作業(yè)環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡單靈活，通用性強，可靠性高，穩(wěn)定性好，大大提高了鋰電池模組生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。本機構(gòu)作為非標(biāo)自動化領(lǐng)域的典型設(shè)計，其開發(fā)過程為其他領(lǐng)域的自動移載系統(tǒng)設(shè)計提供了借鑒意義。

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