自動(dòng)打磨技術(shù)在電池盒制造中的應(yīng)用

劉俊杰

自動(dòng)打磨技術(shù)在電池盒制造中的應(yīng)用

劉俊杰

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201805）

電池盒作為電池載體，其質(zhì)量關(guān)乎電池系統(tǒng)的使用壽命，電池盒在制造過程中產(chǎn)生的毛刺、飛濺會(huì)影響電池包的安裝，從而需要進(jìn)行打磨。文章主要針對(duì)新能源汽車電池盒在生產(chǎn)制造過程中運(yùn)用到的打磨技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合打磨實(shí)例以及當(dāng)下打磨技術(shù)的狀況，介紹了基于某項(xiàng)目的自動(dòng)打磨工位方案、系統(tǒng)組成。從電池盒需要運(yùn)用打磨的必要性、打磨過程中運(yùn)用到的自動(dòng)打磨技術(shù)、打磨工位的布局等方面做出分析，為后續(xù)電池盒制造產(chǎn)線提供參考和指導(dǎo)。

新能源汽車；電池盒；自動(dòng)打磨；機(jī)器人打磨方案

打磨是汽車制造過程中的一道工藝，一直以來金屬去量打磨大多還是靠人工完成。人工打磨產(chǎn)生的粉塵對(duì)人體健康極為不利，且打磨效率低[1]、工作強(qiáng)度大。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的大范圍應(yīng)用，能夠有效地改善這一現(xiàn)象。越來越多的主機(jī)廠開始采用機(jī)器人打磨來替代人工打磨。工業(yè)機(jī)器人每天還可以連續(xù)工作20多個(gè)小時(shí)，工作期間不會(huì)受到其他限制性因素的干擾作用。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化打磨的工作特點(diǎn)顯著，即事先設(shè)定好操作程序，遵循固定的操作規(guī)律，保持工作的穩(wěn)定性，即便是出現(xiàn)了一些差錯(cuò)，也只是某種程序化的差錯(cuò)，容易及時(shí)地完成改善處理[2-3]。因此，使用工業(yè)機(jī)器人有利于大幅度地提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

1 新能源汽車電池盒在生產(chǎn)過程中運(yùn)用打磨技術(shù)的必要性

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的日益高漲，各個(gè)車企都開始籌備自己的新能源戰(zhàn)略計(jì)劃[4]。電池包作為新能源汽車三電系統(tǒng)核心部件之一，其成本約占整車成本的三分之一。而電池盒作為電池載體，其質(zhì)量關(guān)乎電池系統(tǒng)的使用壽命。目前市場(chǎng)上電池盒材質(zhì)主要有鋼和鋁兩種。使用鋼材質(zhì)的電池盒連接工藝主要為鋼電阻點(diǎn)焊；使用鋁材質(zhì)的電池盒連接工藝為鋁弧焊、攪拌摩擦焊等[5]。無論是鋼材質(zhì)還是鋁材質(zhì)，連接工藝都是熱加工工藝，在實(shí)施過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)飛濺、毛刺。電池盒內(nèi)部需要安裝電芯、冷卻水管等，如果毛刺、飛濺不能及時(shí)去除，則電芯及水管在使用過程中會(huì)存在被刺破風(fēng)險(xiǎn)，影響電池包使用。通過打磨技術(shù)去除毛刺、飛濺是電池盒生產(chǎn)過程中不可或缺的一道工藝，而電池盒需要進(jìn)行打磨焊點(diǎn)數(shù)量又非常之多，如果選用傳統(tǒng)人工打磨的方式對(duì)需要打磨的焊點(diǎn)一一進(jìn)行打磨會(huì)嚴(yán)重拉低生產(chǎn)效率，且總體人工成本很高，綜合考慮，選用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化打磨工作最為合適。

2 機(jī)器人打磨方案的設(shè)計(jì)

以某車型電池盒為例，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化打磨，需要對(duì)工藝過程做出合理的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)器人打磨工藝方案設(shè)計(jì)

電池盒的打磨任務(wù)主要是針對(duì)電池盒內(nèi)部的毛刺、飛濺進(jìn)行打磨，故在電池盒生產(chǎn)線完成所有連接工藝后需設(shè)置打磨工位對(duì)其進(jìn)行打磨。此工位承上啟下，在上一工位完成總成工藝時(shí)，通過機(jī)器人抓手將其放到打磨工位中進(jìn)行打磨，待打磨工藝完成后，再由機(jī)器人抓手抓起放到下一個(gè)工位去完成下一道工藝。

2.2 工藝方案布局

因電池盒需要打磨的焊點(diǎn)數(shù)量很多，故選擇兩臺(tái)打磨機(jī)器人同時(shí)對(duì)其進(jìn)行打磨，這樣不僅可以提高打磨效率，還能保證打磨質(zhì)量以及生產(chǎn)節(jié)拍。打磨工位由打磨機(jī)器人、打磨裝置、打磨工裝臺(tái)、可自動(dòng)換磨料的刀具庫、除塵裝置、安全房組成，具體工位布局如圖1所示。

圖1 打磨工位工藝布局

在上一工位完成總成連接工藝后，由抓手機(jī)器人放到打磨工位中的工裝定位臺(tái)上，待工件放到位后夾頭夾緊，兩臺(tái)打磨機(jī)器人靠近打磨，每臺(tái)機(jī)器負(fù)責(zé)一半?yún)^(qū)域的打磨任務(wù)，且每臺(tái)打磨機(jī)器人各配有一個(gè)磨料庫，里面有不同的磨料，可根據(jù)工作面材質(zhì)的不同，自動(dòng)換取合適的材料。由于打磨過程是磨料與毛刺、飛濺的磨削過程，會(huì)出現(xiàn)細(xì)小飛塵顆粒以及工業(yè)煙氣，這些微小顆粒及煙氣會(huì)污染車間工作環(huán)境以及影響工人的身體健康。因此，打磨工位需設(shè)置安全房，避免飛塵以及煙氣外散，同時(shí)在工位內(nèi)打磨頭上設(shè)置除塵收集裝置，該裝置與工位外的除塵主機(jī)相連來達(dá)到洗塵除煙的目的。

2.3 打磨裝置的設(shè)計(jì)

打磨裝置與機(jī)器人六軸連接，針對(duì)不同打磨對(duì)象，打磨裝置的選擇設(shè)計(jì)也極其重要，打磨裝置針對(duì)平面與豎面的工作面可分為兩部分組成。連接法蘭、柔性力控裝置、電主軸連接板、電主軸可更換式刀柄、鋼絲刷的組成主要是針對(duì)平面工作面進(jìn)行打磨，ATI連接板與ATI的組成是針對(duì)于豎面工作面進(jìn)行打磨，具體如圖2所示。

圖2 打磨裝置

因?qū)ぷ髅孢M(jìn)行打磨時(shí)會(huì)遇到凹凸不平的面，如果選擇剛性打磨裝置，其不具有自適應(yīng)能力，就需要機(jī)器人工程師根據(jù)工作面對(duì)打磨軌跡進(jìn)行調(diào)試，這大大占用了項(xiàng)目調(diào)試階段時(shí)間。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中零件會(huì)存在一定波動(dòng)，使用剛性打磨裝置會(huì)導(dǎo)致過度打磨或者打磨不徹底。因此，自動(dòng)打磨設(shè)備需要具備一定柔性。

某項(xiàng)目采用的柔性力控裝置可以在任一方向保持恒定外力，能夠提供精準(zhǔn)位置反饋，具有重力補(bǔ)償功能。恒力浮動(dòng)系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，具體表現(xiàn)如下：

1）可以自定義接觸力，互動(dòng)地補(bǔ)償表面誤差達(dá)480 mm之多，確保一致的接觸力，無需調(diào)整機(jī)器人軌跡，這大大節(jié)省了前期軌跡調(diào)試時(shí)間。

2）能自動(dòng)重力補(bǔ)償，可在不同工作姿態(tài)下保持定義的作用力，而且無需編程來補(bǔ)償重力變化的影響。

3）從動(dòng)安全高速控制，使用內(nèi)置從動(dòng)安全和高速控制的堅(jiān)固的機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)電執(zhí)行器、傳感器能夠確保高度工藝安全性。

4）簡(jiǎn)易的系統(tǒng)應(yīng)用集成，高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)通信接口使集成變得更簡(jiǎn)易智能。實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前接觸狀態(tài)、位置及實(shí)際接觸力，非常適用于質(zhì)量檢驗(yàn)控制。

5）恒力浮動(dòng)的介入大大降低了人工調(diào)試時(shí)間，不僅保證了打磨質(zhì)量，還提高了打磨效率。

因打磨過程中磨料會(huì)出現(xiàn)不可避免的磨損，在磨損達(dá)到一定程度時(shí)，如果不及時(shí)更換磨料就會(huì)對(duì)后續(xù)打磨質(zhì)量造成影響，而若選擇人工手動(dòng)換磨料，會(huì)影響生產(chǎn)周期時(shí)間（Cycle Time, CT），拉低生產(chǎn)效率。所以自動(dòng)化打磨裝置需配用可更換式刀柄，與刀具庫相配合，實(shí)現(xiàn)可自動(dòng)更換磨料。

2.4 工裝定位臺(tái)設(shè)計(jì)

工裝定位臺(tái)作為承載工件進(jìn)行打磨的裝置，其也是保證打磨質(zhì)量的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)過程中需要考慮工件外形、生產(chǎn)車型數(shù)量等因素。因現(xiàn)代的一條汽車生產(chǎn)線體，往往承載著若干車型，所以在打磨工位中，工裝定位臺(tái)也要實(shí)現(xiàn)能承載若干車型的功能，這也大大增加了工裝定位臺(tái)的復(fù)雜性，且需要保證每個(gè)車型工件的精準(zhǔn)定位，這就需要每個(gè)定位銷都需要安裝在精準(zhǔn)位置，在保證了其精準(zhǔn)定位的條件下，還需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其夾頭與氣缸相連接，接入系統(tǒng)，在抓件放件時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)夾具功能，與機(jī)器人相配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打磨。如某項(xiàng)目中設(shè)計(jì)出了這種可同時(shí)滿足4種電池盒打磨的工裝定位臺(tái)，如圖3所示。

圖3 工裝定位臺(tái)

2.5 除塵系統(tǒng)

在打磨過程中會(huì)產(chǎn)生大顆粒飛濺和小顆粒浮塵以及加工煙氣，這些飛塵以及金屬煙氣里面包含很多有害材質(zhì)，不僅影響車間空氣質(zhì)量還會(huì)危害人體健康，而金屬煙氣污染處理設(shè)施和機(jī)械清潔成本又很高，在打磨過程中需要使用配套用的除塵系統(tǒng)。

除塵方案有兩種，一種是打磨房整體除塵；另一種是機(jī)器人工藝除塵。打磨房整體除塵是采用房間換氣除塵，是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。通過稀釋房間內(nèi)被污染的空氣，可有效減少空氣內(nèi)的浮塵對(duì)設(shè)備的影響，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。這種除塵方案需要在打磨工位周圍設(shè)置安全房，安全房設(shè)置自動(dòng)卷簾門，在工件放到打磨工位里后，卷簾門關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)全封閉自動(dòng)打磨，工位外的除塵機(jī)通過吸塵管與打磨房連接，實(shí)現(xiàn)整體除塵目的。這種除塵方式的具體布局如圖4所示。

圖4 打磨房整體除塵

機(jī)器人工藝除塵是在打磨裝置上安裝特制吸口，在打磨過程中產(chǎn)生的飛塵顆粒與加工煙氣可以第一時(shí)間通過工位外的除塵機(jī)被吸走，以此來達(dá)到除塵目的。這種除塵方式更直接便利且效率很高，具體布局方案如圖5所示。

圖5 機(jī)器人工藝除塵

2.6 打磨效果

某項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)打磨機(jī)器人程序的設(shè)定以及打磨軌跡的不斷優(yōu)化，打磨的效率及打磨質(zhì)量都很穩(wěn)定，打磨效果也達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，打磨前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 打磨前后對(duì)比

3 總結(jié)

自動(dòng)化打磨工位的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)打磨的方式，由工業(yè)機(jī)器人代替了人工，對(duì)于工業(yè)打磨技術(shù)來說也是一次全新的突破，這次打磨方案的設(shè)計(jì)，不僅降低了工作強(qiáng)度，還改善了現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，既保證生產(chǎn)效率又保證了打磨質(zhì)量。本次項(xiàng)目通過采用機(jī)器人自動(dòng)打磨，減少了現(xiàn)場(chǎng)2名操作工。這次打磨方案的設(shè)計(jì)，最大的特點(diǎn)為做到了創(chuàng)新，根據(jù)工件的特點(diǎn)，去設(shè)計(jì)專用打磨裝置、專用工裝定位臺(tái)、專用的工藝布局、磨料自動(dòng)切換等，這也恰好反映出我國(guó)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。

[1] 李立秋.采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)金屬制件去量打磨的實(shí)踐總結(jié)[J].中國(guó)設(shè)備工程,2021(22):20-21.

[2] 趙昊東.工業(yè)機(jī)器人鑄件打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].南方農(nóng)機(jī),2022,53(6):105-108.

[3] 李國(guó)棟,梁宇飛,陳振亞,等.針對(duì)鑄鐵管件毛刺的機(jī)器人打磨技術(shù)研究[J].鑄造,2022,71(1):94-98.

[4] 孫友,王彥鵬,袁海.基于焊縫特征的鋁合金車體自動(dòng)打磨研究及應(yīng)用[J].今日制造與升級(jí),2021(12):36-38.

[5] 謝昊澄,葛為民,程德響.針對(duì)機(jī)器人焊接飛濺缺陷的機(jī)器人打磨工藝研究及優(yōu)化[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2021,37(5):18-22.

Application of Automatic Grinding Technology in Battery Tray Manufacturing

LIU Junjie

( Department of Vehicle Manufacturing Engineering, SAIC-GM Company Limited, Shanghai 201805, China )

As battery carrier, the quality of battery tray is related to the service life of battery system, the burr and splash generated will impact installation of battery tray and need grinding. This paper mainly analyzes the auto grinding use in the manufacturing process of battery tray, combine with the grinding example and the current status of grinding technology, introduce the automatic grinding station scheme and system composition based on a certain project. From the necessity of the grinding use in battery tray building, the automatic grinding technology use in the grinding process, the layout of the grinding station, etc., it is analyzed to provide reference and guidance for the subsequent battery tray line.

New energy automobile; Battery tray; Automatic grinding; Robot grinding scheme

TB49

A

1671-7988(2023)20-130-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.026

劉俊杰（1988－），男，工程師，研究方向?yàn)槠囍圃旒夹g(shù)，E-mail:Junjie6_Liu@saic-gm.com。