超級電容電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化設(shè)計

李 銳，胥 軍，胡 劍，霍 陽，李剛炎，林福興

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.深圳市永興業(yè)裝備科技有限公司，廣東 深圳 518107)

超級電容器是一種介于化學(xué)電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型能量存儲裝置，具有能量密度大、比功率高、工作溫限寬﹑低污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生活電器、軍事裝備和電動汽車等領(lǐng)域[1-2]。隨著新能源汽車的普及和發(fā)展，超級電容器的需求量逐年增長，其性能要求也不斷提高，超級電容器的生產(chǎn)工藝流程包括配料、涂布、制片、卷繞、裝配、注液、活化、檢測和包裝等，其中電芯裝配是整個生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一道工序，其裝配質(zhì)量的好壞對電容器性能有著重要的影響。

電芯裝配生產(chǎn)線是由電芯加工設(shè)備、物料臺及移送機(jī)械手組成的小型生產(chǎn)線，主要完成超級電容器電芯的整形、正負(fù)匯流片焊接、正負(fù)極蓋焊接以及檢漏工作，電芯裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍對生產(chǎn)效率有著顯著影響，其性能直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量合格率。目前國內(nèi)外對超級電容器的研究大多針對電池材料和相關(guān)工藝，鮮見有關(guān)電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍研究的報道。

依據(jù)超級電容器電芯裝配線整體布局情況，對電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行計算，建立生產(chǎn)節(jié)拍仿真模型，提出生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案，以提高電芯裝配生產(chǎn)線的穩(wěn)定性與平衡性。

1 電芯裝配設(shè)備工藝流程及布局

1.1 電芯裝配工藝流程

某型超級電容電芯裝配工藝是在電芯整形的基礎(chǔ)上將匯流片與電芯焊接在一起，然后將正負(fù)極蓋與入殼后的電芯進(jìn)行焊接，最終完成超級電容的電芯裝配流程。電芯裝配設(shè)備的主要任務(wù)是完成電芯整形、正負(fù)匯流片焊接、正負(fù)極蓋焊接和氦質(zhì)譜檢漏的全自動化工作。

各機(jī)械手進(jìn)行物料移送工作，依次將電芯通過旋壓機(jī)、模壓機(jī)、匯流片焊接機(jī)和正負(fù)極蓋焊接機(jī)進(jìn)行加工，最后通過氦質(zhì)譜檢漏機(jī)完成電容的檢漏工作，工藝流程如圖1所示。

圖1 電芯裝配線工藝流程

1.2 電芯裝配線布局

某型超級電容器電芯裝配線是一種自動化生產(chǎn)線，設(shè)備較少且產(chǎn)品無需回到起點，為保證生產(chǎn)線不鎖死及設(shè)備擺放的合理性，依據(jù)生產(chǎn)線布局原則和布局形式[3-4]，采取產(chǎn)品布局的布局原則和L型布局形式進(jìn)行電芯裝配線設(shè)備布局， 并建立三維模型圖，整體布局如圖2所示。

圖2 電芯裝配設(shè)備整體布局圖

電芯裝配設(shè)備協(xié)調(diào)工作，可滿足裝配工藝要求，并發(fā)揮各設(shè)備功能特性，完成電芯的全自動化裝配，該生產(chǎn)線的主要設(shè)備與作用如表1所示。

表1 電芯裝配設(shè)備及作用

2 電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍計算及分析

2.1 期望生產(chǎn)節(jié)拍

生產(chǎn)節(jié)拍是體現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)能力的技術(shù)指標(biāo)，生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍由每臺設(shè)備或每個工位的生產(chǎn)節(jié)拍共同決定，生產(chǎn)節(jié)拍是指流水線上連續(xù)出產(chǎn)兩件制品的時間間隔[5-6]。生產(chǎn)線期望生產(chǎn)節(jié)拍r=F/Q，其中r為生產(chǎn)節(jié)拍；F為有效工作時間；Q為顧客需求。

在不影響期望生產(chǎn)節(jié)拍計算結(jié)果的前提下，基于工程實際提出以下假設(shè)：①計劃期內(nèi)需求量穩(wěn)定；②不考慮意外情況而造成的長時間停工。

根據(jù)車間生產(chǎn)能力及對超級電容器電芯裝配設(shè)備提出的性能要求，計劃期內(nèi)顧客需求量為720個/天，工作模式為2班/天，每班6 h，計劃停工2 h(機(jī)器維護(hù)時間1 h/班)，即有效工作時間為10 h。期望生產(chǎn)節(jié)拍=計劃期內(nèi)有效工作時間/計劃期內(nèi)顧客需求量=10×60×60 s/720個=50 s/個。即超級電容器電芯裝配線的期望生產(chǎn)節(jié)拍為50 s/個，則要求電芯裝配線實際生產(chǎn)節(jié)拍小于或等于50 s，而實際生產(chǎn)節(jié)拍受每個工序或每臺設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍影響，因此需對電芯裝配設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行計算。

2.2 實際生產(chǎn)節(jié)拍計算

電芯裝配線各設(shè)備之間依次動作，因此為計算實際生產(chǎn)節(jié)拍，需先確定每臺設(shè)備的動作流程，并測算每臺設(shè)備完成其功能的工作時間，以此可得電芯裝配線的實際生產(chǎn)節(jié)拍。

以匯流片焊接機(jī)為例進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 匯流片焊接機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

為正確計算匯流片動作時間，便于后續(xù)分析，對各設(shè)備動作參數(shù)進(jìn)行定義，如表2所示。

表2 匯流片動作參數(shù)定義

將X軸、Y軸和Z軸配合激光器完成整個焊接過程看作一個動作，采用秒表測時法對匯流片焊接機(jī)各動作時間進(jìn)行測定，各動作編號及執(zhí)行時間測定結(jié)果如表3所示。

表3 匯流片焊接機(jī)各動作時間測定

根據(jù)對匯流片焊接機(jī)工作流程的分析，確定各動作的先后順序以及串并行關(guān)系如圖4所示。

圖4 匯流片焊接機(jī)各動作串并行關(guān)系示意圖

從圖4可知，動作2、動作3和動作4，動作6、動作7和動作8，動作13、動作14和動作15，動作17、動作18和動作19為并行關(guān)系，其余動作為串行關(guān)系。從表3可知t3>t4>t2、t7>t8>t6、t13>t15>t14、t17>t19>t18，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的計算方法可知匯流片焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為：

t=t1+t3+t5+t7+t9+t10+t11+t12+

t13+t16+t17+t20+t21=103.11

(1)

即匯流片焊接機(jī)的實際生產(chǎn)節(jié)拍為103.11 s。

同理，對各設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行計算，可得到各設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍，如表4所示。

表4 電芯裝配各設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍

電芯裝配線的實際生產(chǎn)節(jié)拍由各設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍最大值決定，從表4可知，在電芯裝配設(shè)備連續(xù)運(yùn)行過程中，電芯裝配線的實際生產(chǎn)節(jié)拍為103.11 s，不滿足生產(chǎn)需求。

2.3 電芯裝配線性能分析

電芯裝配線的性能可結(jié)合生產(chǎn)線平衡率與平滑性指數(shù)兩個評價指標(biāo)進(jìn)行分析。生產(chǎn)線平衡率P反映電芯裝配線的平衡程度，P值越高代表電芯裝配線連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行狀況越好，其公式為：

(2)

在計算得到電芯裝配線的生產(chǎn)線平衡率后，可以根據(jù)其評價標(biāo)準(zhǔn)了解平衡程度，生產(chǎn)線平衡率的評價標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 生產(chǎn)線平衡率評價標(biāo)準(zhǔn)表

平滑性指數(shù)SI用來評價電芯裝配線的生產(chǎn)能力穩(wěn)定性，反映生產(chǎn)線上所有工位或設(shè)備在實際生產(chǎn)節(jié)拍上的偏差程度，其值越小代表電芯裝配線的平衡性越好，其公式為：

(3)

式中：Ti為加工設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍。

根據(jù)產(chǎn)能需求可知，電芯裝配線期望生產(chǎn)節(jié)拍為50 s/個，根據(jù)實際生產(chǎn)節(jié)拍計算結(jié)果可知：①模壓機(jī)、負(fù)極蓋焊接機(jī)與氦質(zhì)譜檢漏機(jī)的實際生產(chǎn)節(jié)拍小于期望生產(chǎn)節(jié)拍，不會影響電芯裝配線的實際生產(chǎn)節(jié)拍；②電芯裝配線的實際生產(chǎn)節(jié)拍為103.11 s，大于期望生產(chǎn)節(jié)拍50 s，不滿足生產(chǎn)需求；③匯流片焊接機(jī)與正極蓋焊接機(jī)均為“瓶頸工位”，需對其進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)生產(chǎn)線平衡率和平滑性指數(shù)計算方法，可得電芯裝配線的評價指標(biāo),如表6所示。

表6 電芯裝配線評價指標(biāo)

從表6可知，電芯裝配設(shè)備的平衡程度較差，平滑性指數(shù)較大，說明其性能較差，因此要對匯流片焊接機(jī)和正極蓋焊接機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化，減小兩臺設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍，達(dá)到期望生產(chǎn)節(jié)拍要求，并保證偏差較小。

3 電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化及分析

3.1 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方法

生產(chǎn)節(jié)拍的優(yōu)化主要是縮短設(shè)備完成其指定功能的工作時間，使設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍小于或等于期望生產(chǎn)節(jié)拍[7-8]。其生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方法主要有兩種：一是動作執(zhí)行時間優(yōu)化，指在設(shè)備平穩(wěn)正常運(yùn)行的前提下通過調(diào)整電機(jī)、氣缸相關(guān)參數(shù)來提升動作速度或縮短動作行程來減小動作執(zhí)行時間；二是動作執(zhí)行改變或創(chuàng)新，主要包括功能合并、優(yōu)化動作的串并行關(guān)系和增加循環(huán)數(shù)量3種方式。其中功能合并就是用較少的動作完成之前由多個動作才能完成的功能，即盡可能減少動作。優(yōu)化動作間串并行關(guān)系就是在不改變動作數(shù)量的基礎(chǔ)上，盡可能減少串行動作、增加并行動作，使多個動作能夠同時執(zhí)行。增加循環(huán)數(shù)量即在一個機(jī)械系統(tǒng)中，不改變某一段動作的內(nèi)部關(guān)系，僅將一個設(shè)備或工位分為兩個或多個設(shè)備或工位來執(zhí)行。

3.2 主要裝配設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化

考慮到旋壓機(jī)的實際生產(chǎn)節(jié)拍略大于期望生產(chǎn)節(jié)拍，可采用調(diào)整電機(jī)參數(shù)和優(yōu)化串并行關(guān)系的方法進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化，而匯流片焊接機(jī)和正極蓋焊接機(jī)具有雙工位的特點，可采用增加循環(huán)數(shù)量方法對其進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化。因此本節(jié)采用調(diào)整電機(jī)參數(shù)及優(yōu)化串并行關(guān)系的方法對旋壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化；采用增加循環(huán)數(shù)量方法對匯流片焊接機(jī)和正極蓋焊接機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化。

旋壓機(jī)工作過程中，依次串行完成各動作，然而分析知前后氣缸與壓緊氣缸伸出與縮回動作并不會對電芯的定位造成影響，且不會發(fā)生運(yùn)動干涉，因此可將上述動作由串行關(guān)系優(yōu)化為并行關(guān)系，優(yōu)化后的各動作串并行關(guān)系如圖5所示，且通過控制程序?qū)⑺欧姍C(jī)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min調(diào)整為2 000 r/min，可減少X軸的運(yùn)動時間，各動作編號及執(zhí)行時間測定結(jié)果如表7所示。

圖5 優(yōu)化后旋壓機(jī)各動作串并行關(guān)系示意圖

表7 優(yōu)化后旋壓機(jī)各動作時間測定結(jié)果

從圖5可知，動作1和動作2，動作6和動作7為并行關(guān)系，其余動作為串行關(guān)系。由表7可知t2>t1、t6>t7，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的計算方法可知優(yōu)化后旋壓機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為：

t=t2+t3+t4+t5+t6=43.78

(4)

故優(yōu)化后旋壓機(jī)的實際生產(chǎn)節(jié)拍為43.78 s。

匯流片焊接機(jī)采用雙工位工作模式，但在焊接過程中，負(fù)匯流片焊接工位與正匯流片焊接工位共用一臺自動化焊接機(jī)構(gòu)，負(fù)匯流片焊接完成后，需等待正匯流片焊接完成后才能繼續(xù)下一個匯流片焊接過程，造成了工作時間較長，形成了“瓶頸工位”和前一工位的堵塞問題?，F(xiàn)采用增加一套自動化焊接機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方法，匯流片焊接機(jī)被分為負(fù)匯流片焊接機(jī)和正匯流片焊接機(jī)兩臺設(shè)備，采用這種方式，工作量可變?yōu)樵瓉淼囊话?，并且兩臺設(shè)備能夠正常工作，互不影響，其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后負(fù)匯流片焊接機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

負(fù)匯流片焊接機(jī)工作流程為：電芯上料后，R軸帶動圓形分割器旋轉(zhuǎn)180°至焊接位1，X軸、Y軸、Z軸同時運(yùn)動至拍照位，CCD相機(jī)完成拍照工作，然后各軸回初始位，X軸、Y軸、Z軸配合控制激光器完成焊接動作，焊接完成后，R軸帶動圓形分割器回轉(zhuǎn)180°至工位3，機(jī)械手將電芯取出。

將X軸、Y軸、Z軸并行動作，采用秒表測時法對負(fù)匯流片焊接機(jī)各動作時間進(jìn)行測定，同前述定義匯流片動作參數(shù)一致，負(fù)匯流片焊接機(jī)各動作編號及執(zhí)行時間測定結(jié)果如表8所示。

表8 負(fù)匯流片焊接機(jī)各動作時間測定結(jié)果

由各動作串并行關(guān)系和生產(chǎn)節(jié)拍的計算方法可知負(fù)匯流片焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為：

t=t1+t3+t5+t7+t9+t10=45.14

(5)

故負(fù)匯流片焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為45.14 s。

采用同樣方法可求得正匯流片焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為45.34 s。

同理，正極蓋焊接機(jī)也是雙工位工作模式，可以采用增加一臺自動化焊接機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方法，即把原本的正極蓋焊接機(jī)分為圓周焊接機(jī)和正極蓋焊接機(jī)兩臺設(shè)備，并分別測定兩臺設(shè)備的各動作時間，求得圓周焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為45.59 s，正極蓋焊接機(jī)實際生產(chǎn)節(jié)拍為45.01 s。

3.3 電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍分析

由前述計算，可得優(yōu)化后超級電容器電芯裝配各設(shè)備的實際生產(chǎn)節(jié)拍如表9所示。

表9 優(yōu)化后超級電容器電芯裝配設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍

從表9可知，電芯裝配線實際生產(chǎn)節(jié)拍為47.85 s，滿足生產(chǎn)需求。根據(jù)生產(chǎn)線平衡率和平滑性指數(shù)的計算方法，可得優(yōu)化后電芯裝配線的評價指標(biāo)，結(jié)果如表10所示。

表10 優(yōu)化前后評價指標(biāo)對比表

從表10可知優(yōu)化后生產(chǎn)線平衡率為94.65%，平衡程度為優(yōu)，基本達(dá)到電芯裝配設(shè)備理想工作狀態(tài)，且平滑性指數(shù)下降到2.76，說明各設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍接近一致，電芯裝配線的穩(wěn)定性較好，綜合兩個評價指標(biāo)可知優(yōu)化后的電芯裝配線性能較好。

4 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案驗證

4.1 基于Flexsim的生產(chǎn)節(jié)拍仿真模型

Flexsim軟件是一款主要用于離散系統(tǒng)建模與仿真的軟件，能方便快捷地進(jìn)行建模[9]。Flexsim能夠有效地對生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)線、供應(yīng)鏈管理、物料配送系統(tǒng)等進(jìn)行仿真，模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并分析生產(chǎn)系統(tǒng)性能，能對優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行驗證，提高整體效率和產(chǎn)能[10-11]。

根據(jù)優(yōu)化方案可知優(yōu)化后的超級電容器電芯裝配設(shè)備將匯流片焊接機(jī)分為負(fù)匯流片焊接機(jī)與正匯流片焊接機(jī)，正極蓋焊接機(jī)分為圓周焊接機(jī)與正極蓋焊接機(jī)。為避免優(yōu)化后設(shè)備之間發(fā)生動作干涉，影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，這里增加兩個暫存位，得到優(yōu)化后的電芯裝配線布局示意圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后電芯裝配線布局示意圖

在不影響仿真結(jié)果的前提下，做出以下假設(shè)：①上料機(jī)構(gòu)不存在電芯缺料情況；②所有加工設(shè)備的預(yù)置時間為0，即電芯到達(dá)該設(shè)備時立即加工；③所有設(shè)備不存在故障，仿真過程不會因發(fā)生意外而中斷；④不考慮機(jī)械手移送物料時間?；诖私⒌腇lexsim仿真模型如圖8所示。

圖8 電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍仿真模型

Flexsim仿真模型是將優(yōu)化前的匯流片焊接機(jī)分為優(yōu)化后模型中的處理器3(負(fù)匯流片焊接機(jī))與處理器4(正匯流片焊接機(jī))，優(yōu)化前的正極蓋焊接機(jī)分為優(yōu)化后模型中的處理器5(圓周焊接機(jī))與處理器6(正極蓋焊接機(jī))，其余各實體所對應(yīng)的設(shè)備及功能不變。

根據(jù)優(yōu)化后電芯裝配設(shè)備的參數(shù)在Flexsim中對各實體進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中發(fā)生器和各個處理器臨時實體流均設(shè)置為“使用運(yùn)輸工具”，同時發(fā)生器設(shè)置為實體產(chǎn)生方式，“按時間間隔”且“0時刻”到達(dá)，時間間隔設(shè)為43.79 s，其余各處理器參數(shù)時間間隔與優(yōu)化后的設(shè)備實際生產(chǎn)節(jié)拍一致。

4.2 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案仿真驗證

完成實體參數(shù)設(shè)置后，按照每天有效工作時間為10 h，設(shè)置模型仿真時間為36 000 s，當(dāng)仿真運(yùn)行到36 000 s時自動停止運(yùn)行，統(tǒng)計得到優(yōu)化后模型，其中各處理器輸入實體數(shù)從735遞減至728，吸收器吸收實體數(shù)為727個。

各處理器的狀態(tài)餅圖如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后各處理器狀態(tài)餅圖

分析模型運(yùn)行結(jié)果可知：①由于該模型不考慮機(jī)械手的移送時間，計算仿真模型的實際生產(chǎn)節(jié)拍約為49.52 s，略大于上文分析的優(yōu)化后實際生產(chǎn)節(jié)拍47.85 s，可認(rèn)為誤差在合理范圍之中，且小于期望生產(chǎn)節(jié)拍50 s；②優(yōu)化后各設(shè)備利用率較高且相差不大，均達(dá)到了90.00%以上，閑置率與堵塞率較小，整個超級電容器電芯裝配線平衡性較好，達(dá)到了理想工作狀態(tài)；③優(yōu)化后超級電容器電芯裝配線在有效工作時間內(nèi)的產(chǎn)量為727個，大于期望生產(chǎn)要求720個，因此優(yōu)化方案滿足生產(chǎn)需求。

4.3 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案樣機(jī)驗證

依據(jù)前述設(shè)計的優(yōu)化方案進(jìn)行樣機(jī)試制，裝配線相關(guān)布局及設(shè)備如圖10所示。

圖10 超級電容器電芯裝配線樣機(jī)實物圖

進(jìn)行試生產(chǎn)以驗證優(yōu)化方案的合理性，并記錄相關(guān)設(shè)備的各動作運(yùn)行時間，記錄生產(chǎn)節(jié)拍，統(tǒng)計最終的生產(chǎn)數(shù)量，試生產(chǎn)10 h，最終生產(chǎn)產(chǎn)品732個，大于期望生產(chǎn)需求720個，同時比仿真結(jié)果略大，誤差在0.68%，滿足要求。

根據(jù)優(yōu)化后超級電容器電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍仿真結(jié)果，以及樣機(jī)試生產(chǎn)的結(jié)果可知，電芯裝配線實際生產(chǎn)節(jié)拍與理論計算一致，且裝配線性能較好，驗證了優(yōu)化方案的合理性與可行性。

5 結(jié)論

針對超級電容器電芯裝配線，對其生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行了優(yōu)化研究。依據(jù)電芯裝配線的布局方案和工藝流程，計算了電芯裝配線的生產(chǎn)節(jié)拍；根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍評價指標(biāo)，對電芯裝配線性能進(jìn)行分析；為滿足電芯裝配線的性能要求及企業(yè)生產(chǎn)要求，提出了生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化方案；最后，基于Flexsim建立了電芯裝配線生產(chǎn)節(jié)拍仿真模型，并利用樣機(jī)試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性。