熱電池云母片包裹系統(tǒng)設計

劉川瑞楊學軍曾鵬飛郝永平周 超李 鑫

(1.沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159；2.遼寧省先進制造技術與裝備重點實驗室，沈陽 110159；3.山西江陽興安民爆器材有限公司，太原 030041)

熱電池是一種不可逆的化學能源[1]，具有激活速度快、輸出功率高、儲存壽命長和環(huán)境適應性強等優(yōu)點[2-3]，廣泛應用于智能彈藥、炸彈、導彈等領域[4]。 如何提升熱電池裝配效率一直是各國研究的重點。 美國的Arbin 和Maccor 公司、日本的Nec 公司、加拿大海霸公司等各大電池生產(chǎn)企業(yè)都在熱電池自動化裝配領域有所研究。 Guidotti 等[5]采用等離子噴涂法成功制備了薄尺寸的CoS2正極片，通過優(yōu)化熱電池結(jié)構提升其裝配效率。 Winchester Interconnect Hermetics 公司的研究人員申請了“熱電池裝配以及相關方法”的專利[6]。 重慶師范大學2018 年研究設計了一套熱電池智能輔助裝配系統(tǒng)[7]。

目前，國內(nèi)熱電池的裝配大多數(shù)仍采用人工操作，配合簡易的機構進行定位、夾緊、限位等。熱電池裝配效率低、失誤率高、對人體損害大。 本文將針對熱電池自動化裝配生產(chǎn)的實際需求，以熱電池中的“6 號電池”作為裝配對象，設計熱電池云母片包裹系統(tǒng)。

1 熱電池云母片裝配工藝

熱電池裝配工藝主要包括電堆疊片、引燃條及人造云母片裝配、保溫棉纏繞、電池蓋及外殼裝配四個部分。 云母片裝配的關鍵問題是如何在膠帶與電堆表面不直接接觸的情況下，將云母片包裹在電堆表面，并保證夾在云母片和電堆之間的引燃條位置準確。

云母片裝配工藝流程如圖1 所示。 首先電堆完成疊片，此時引線與電池端面平行，如圖1(a)所示；然后將引線彎折至與電堆軸線平行，如圖1(b)所示；最后將云母圍子包裹在電堆表面并通過噴膠進行封口，完成裝配后的熱電池模型如圖1(c)所示。

圖1 云母片裝配工藝

2 云母片包裹系統(tǒng)結(jié)構設計

根據(jù)熱電池云母片裝配工藝流程設計了云母片包裹系統(tǒng)的總體結(jié)構，如圖2 所示。

圖2 云母片包裹系統(tǒng)總體結(jié)構

云母片包裹機構分三個部分，分別為引線彎折機構、云母片裝配機構和電堆輸送機構。

2.1 引線彎折機構

引線彎折機構采用氣缸帶動包裹手對電堆進行壓緊，包裹手上的凹槽正對電堆引線位置，在壓緊的同時對引線完成第一次彎折(彎折角度約70°)，如圖3(a)所示。完成一次彎折后由電機帶動轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤上的包裹手，以電堆軸線為中心進行一次往復回轉(zhuǎn)，完成第二次引線彎折，如圖3(b)所示。 從而使兩條引線與電堆軸線平行，完成裝配，引線彎折工作原理如圖3(c)所示。

圖3 引線彎折過程及工作原理

2.2 云母片裝配機構

云母片裝配機構包括云母片供料機構和吸附包裹機構兩部分。

2.2.1云母片供料機構

供料機構采用摩擦輪的方式進行單片供料，并通過供料導向和自身重力作用運送到上料裝配位置，如圖4 所示。

圖4 云母片供料機構

為實現(xiàn)云母片單片供料，在裝配位置添加光電傳感器，對供料電機停、轉(zhuǎn)進行控制。 當裝配位置感應到云母片遮擋，傳感器斷電，供料電機停轉(zhuǎn)，停止供料。 在完成一次裝配循環(huán)后，傳感器重新供電繼續(xù)供料。

2.2.2吸附包裹機構

吸附包裹機構由氣缸帶動的包裹手構成，如圖5 所示。 四個包裹手以電堆軸線為中心環(huán)繞布置，通過不同時序進給，將云母片壓緊貼合在電堆表面。

1)吸附包裹結(jié)構設計

吸附包裹結(jié)構主要由包裹手和吸附包裹手構成，結(jié)構設計如圖6 所示。

吸附包裹手由氣缸帶動進行包裹，氣缸每次進給的行程固定。 為滿足不同尺寸的熱電池裝配，將吸附包裹手部分設計為可拆卸結(jié)構，包裹位置通過螺紋連接在吸附氣缸上，吸附氣缸底部添加彈簧，氣缸行程固定，在進給時先將云母片貼合在電堆表面，之后壓縮彈簧對云母片進行壓緊。

為使云母片與電堆表面更加貼合，在保證電堆不發(fā)生偏移的前提下，盡可能加大包裹手的壓緊力。 本文通過對云母片包裹處施加不同壓力，測量噴膠粘合處粘合長度，判斷云母片是否裝配牢靠。 云母片包裹壓力實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 云母片包裹壓力實驗結(jié)果

由表1 可知，滿足裝配要求的壓力為1.2 N。為保證云母片裝配牢靠，包裹手在電堆表面施加的壓力F1實際取1.5 N，包裹手底部的彈簧彈力均應小于F1。 選用線徑為0.8 mm、中心直徑為15.2 mm、有效圈數(shù)為20 的鋼材質(zhì)彈簧，彈簧彈性系數(shù)k為[8]

式中:G為剪切彈性模量， MPa (鋼絲G＝8 000 MPa)；d為線徑，mm；n為有效圈數(shù)；D2為中心直徑，mm。

由式(1)計算得到k＝0.089 N/mm。彈簧壓縮量λ計算式為

由式(2)計算得到λ＝16. 85 mm，取整為20 mm，其中預緊壓縮量為5 mm，裝配壓縮量為15 mm。

施加在電堆疊片各表面之間的正壓力N1計算式為

式中μ為靜摩擦系數(shù)，取0.15。氣缸的實際輸出力F實≥N1，故取F實＝10N。氣缸理論輸出力F理與氣缸負載率β的關系為

式中:D為氣缸內(nèi)徑，mm；P為工作壓強，MPa；β為阻性負載，取85%[9]。

經(jīng)計算，F(xiàn)理＝11.76 N，故氣缸的工作壓力應大于11.76 N，考慮氣缸所需行程，確定下壓氣缸型號，氣缸參數(shù)如表2 所示。

表2 下壓氣缸參數(shù)

2)包裹機構動力學分析與仿真

對包裹機構進行動力學分析，重點分析包裹手的速度及加速度，確定包裹手對電堆包裹時是否會對電堆產(chǎn)生沖擊。 進行動力學分析前，先對機構運動進行簡化，建立如圖7 所示的廣義坐標系[10]。 將包裹機構簡化為質(zhì)點M，包裹手底部有彈簧，由于導向桿和銅套之間屬于過盈配合，會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的阻尼[11]，故包裹機構運動可以簡化為單自由度有阻尼的自由振動。

圖7 簡化運動模型

以質(zhì)心M為原點建立廣義坐標系，取M的位移x為廣義坐標，建立振動微分方程為

式中:m為包裹機構質(zhì)量，kg；x為M的位移，mm；c為阻尼系數(shù)，N·s/mm。

振動系統(tǒng)的通解形式為

式中:A為振幅；ωd為自由振動的圓頻率。 取初始狀態(tài)t＝0 時的得出振動方程初始振幅A1及相位α為

由此，包裹手的位移函數(shù)為

式中:t為機構運動時間，s；F0為包裹機構在裝配過程中的受力，N；F實為氣缸實際施加在包裹機構上的壓力，N；f為包裹機構過盈配合所產(chǎn)生的摩擦力，N。

綜上可知，包裹手在運動過程中的振動圖像為一個逐步衰減的正弦函數(shù)，其位移函數(shù)分為兩部分:沿氣缸進給方向的主運動函數(shù)；系統(tǒng)自身的振動函數(shù)。 將位移對時間二次求導得到加速度。

應用Adams 軟件對包裹機構進行動力學分析[12]，將包裹機構簡化為如圖8 所示的模型。 由于2、3、4 號包裹手結(jié)構、動作相同，為提高計算效率，針對3 號包裹手進行仿真分析。 選定包裹機構材質(zhì)為鋁，添加驅(qū)動力，輸入底座彈簧參數(shù)和碰撞參數(shù)，得到包裹機構的加速度-時間曲線。 包裹手加速度-時間曲線如圖9(a)所示，吸附手加速度-時間曲線如圖9(b)所示。

圖8 簡化分析模型

圖9 運動仿真結(jié)果

2.3 電堆輸送機構設計與仿真

2.3.1電堆輸送機構

電堆在完成云母片裝配前為散片，在運輸過程中需保證其不發(fā)生散落以滿足裝配要求。 電堆輸送機構如圖10 所示。

圖10 電堆輸送機構

電堆輸送機構由傳送帶和電堆底座構成。 底座固定在傳送帶中間位置，由傳送帶運送至各個工位，在運送過程中底座處于閉合狀態(tài)，如圖10(a)所示。 為防止疊片散落，底座在工位上準確定位后，工位上的下壓氣缸進給，將底座打開，然后進行裝配，如圖10(b)所示。 底座設計為內(nèi)螺紋結(jié)構，可將其固定在傳送帶上。

2.3.2電堆底座靜力學仿真與分析

由表2 中選用的下壓氣缸工作壓力為20 N，表明施加在電堆上的載荷為20 N，底座所承受的載荷同為20 N。 通過SolidWorks Simulation 軟件進行靜力學分析[13]。

設置底座材料為退火不銹鋼，將底座與傳送帶相接的表面固定，在承臺的電堆承載面以及承臺與底座的接觸面施加載荷，將下壓氣缸施加在電堆上的載荷20 N 定義為靜力，在機構各受力面均以20 N 作為輸入值施加載荷，得到電堆底座靜力分析結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 電堆底座靜力分析結(jié)果

由圖11(a)可以看出，應力分布集中在底座支撐上，受載材料的屈服極限為292 MPa，在電堆裝配過程中對底座施加的負載遠小于其屈服極限，其余部位未見較大應力，應力最大值為1.51 ×105Pa，故該部分的應力集中點對底座承載電堆進行裝配無影響；由圖11(b)可知，承臺與電堆接觸表面最大位移為1.316 54 ×10-8m，該位移出現(xiàn)在電堆的軸線方向，且位移量較小，對電堆裝配幾乎不產(chǎn)生影響，故設計方案可行。

3 結(jié)論

本文針對熱電池云母片裝配系統(tǒng)進行了結(jié)構設計。

首先，按照云母片裝配工藝要求完成了云母片裝配機構的總體設計；其次，分別對云母片裝配機構中供料機構和吸附包裹機構進行結(jié)構設計；最后，對裝配機構運動的核心動作，即吸附手的包裹動作進行動力學計算和分析。 通過仿真驗證分析結(jié)果，并對電堆底座進行靜力學仿真與分析，其結(jié)構中應力峰值遠小于材料屈服極限。 各部分機構均滿足裝配需求，云母片包裹系統(tǒng)設計具有可行性。

該系統(tǒng)在一定程度上不需要人員與工件直接接觸即可完成裝配，滿足了特定型號的熱電池裝配工藝要求，可為熱電池裝配提供參考。