扣式電池自動注液機(jī)方案設(shè)計(jì)

孫法炯，王 昉

（珠海市至力電池有限公司，廣東珠海 519002）

傳統(tǒng)的扣式電池主要應(yīng)用手工注液的方法，這種生產(chǎn)方式不僅浪費(fèi)實(shí)際的生產(chǎn)時(shí)間，也很難依靠人工保證精確的注液量。為提升電池的生產(chǎn)質(zhì)量，基于當(dāng)前自動化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，可依據(jù)注液自動化的原理，研發(fā)具有自動化性能和優(yōu)勢的注液機(jī)來保障電池的生產(chǎn)效果，對扣式電池自動注液機(jī)方案進(jìn)行研究分析，對降低扣式電池生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)質(zhì)量具有積極的意義。

1 扣式電池的注液結(jié)構(gòu)

注液結(jié)構(gòu)是扣式電池生產(chǎn)依賴的重要結(jié)構(gòu)，參考鋰電池自動注液機(jī)的工作原理，可用負(fù)壓倒吸式的注液機(jī)實(shí)現(xiàn)電池的注液生產(chǎn)。這種注液機(jī)能夠在低于常壓的氣體壓力狀態(tài)下，將電池內(nèi)部抽成真空，然后借助外界大氣壓將電池液壓進(jìn)電池盒。文章在對扣式電池的自動注液機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮扣式電池產(chǎn)品的特點(diǎn)，基于扣式電池應(yīng)用中存在的容易因密封性問題而導(dǎo)致電池受到電解液腐蝕的情況，提出了一種開放式的注液密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)扣式電池的開放式注液，從而進(jìn)一步簡化扣式電池的生產(chǎn)制造流程，也能夠保障扣式電池良好的密封性特點(diǎn)，提升扣式電池的質(zhì)量[1]。

這種開放式的注液密封結(jié)構(gòu)，由中部殼體、上注液蓋板、第一密封圈、上密封蓋板以及下密封蓋板構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)主要以激光焊接的方式實(shí)現(xiàn)連接，其中，由不銹鋼以沖壓成型的方式制成的上注液蓋板與中部殼體頂部連接，下密封蓋板組件與中部殼體底部連接，由上注液蓋板、中部殼體以及下密封蓋板組件可以構(gòu)成腔室。上注液蓋板的中部設(shè)有第一凸起，第一凸起中間留有注液口，將第一密封圈放入上注液蓋板的頂部，將蓋板設(shè)置在上注液蓋板的頂部，將第一密封圈壓緊后，就可以達(dá)到密封的效果。而下密封蓋板組件主要由底部金屬片、第二密封圈、內(nèi)金屬片構(gòu)成。底部金屬片在中部殼體的底部連接，由第二密封圈將內(nèi)金屬片與底部金屬片連接起來，底部金屬片的中部也留有通孔，能夠讓內(nèi)金屬片的底部從通孔中露出（圖1）。

圖1 開放式注液結(jié)構(gòu)

2 自動注液機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)，將自動化技術(shù)的原理與扣式電池的注液結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，以設(shè)計(jì)自動注液機(jī)的方式用于扣式電池的生產(chǎn)制造，注重提升扣式電池的生產(chǎn)效率，兼顧扣式電池的使用質(zhì)量和安全，能夠在提升扣式電池生產(chǎn)效益的同時(shí)，降低用于扣式電池生產(chǎn)制造的成本。基于此，對扣式電池自動注液機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合自動化技術(shù)的原理，主要從以下幾個(gè)方面來入手。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

以實(shí)現(xiàn)注液自動化為主要目的，對自動注液機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從注液機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)入手，以創(chuàng)新機(jī)械運(yùn)行過程的方式，提升注液機(jī)使用性能和效益。在充分考慮扣式電池生產(chǎn)制造要求的情況下，從機(jī)械角度對注液機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)保障扣式電池的注液精度，提升機(jī)器的整體生產(chǎn)率，滿足多種型號電池的注液生產(chǎn)需求，且機(jī)器本身也應(yīng)能夠始終保持平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)。例如，對自動注液機(jī)的設(shè)計(jì)，應(yīng)讓注液精度保持在（1.5±0.1 ）ml；結(jié)合當(dāng)前扣式電池的生產(chǎn)需求，機(jī)器生產(chǎn)率應(yīng)盡可能達(dá)到80個(gè)/min；考慮自動注液機(jī)的使用性能和效果，應(yīng)將注液機(jī)啟動運(yùn)行的噪聲控制在40 dB 以下，制造成本應(yīng)控制在4萬元內(nèi)，維修周期不超過1萬工作小時(shí)。在此基礎(chǔ)上，還需要考慮電池生產(chǎn)廠家的規(guī)模和運(yùn)行成本，盡可能以更優(yōu)化的機(jī)械運(yùn)行原理來提升注液機(jī)的運(yùn)行效果。

基于此，對自動注液機(jī)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，可以基于黑箱理論構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)的抽象模型，從能量、物料以及信息三方面要素出發(fā)，圍繞三要素之間的輸入、輸出關(guān)系來發(fā)揮自動注液機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的基本功能，即以注電解液為機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的主要目的，可以通過構(gòu)建以下黑箱模型的方式，明確能量、物料以及信息三者之間的密切聯(lián)系（圖2）。

圖2 黑箱模型

在構(gòu)建黑箱模型的基礎(chǔ)上，基于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的功能需求，從自動注液機(jī)的電池上料、電池傳送、檢測方式、動力源、傳動方式、定位方式、控制方式以及輸出方式等角度來進(jìn)行具體的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以設(shè)置因素子集、因素、權(quán)重集和因素等級的方式來對各類選擇進(jìn)行綜合性的評價(jià)，從中選擇更適合自動注液機(jī)運(yùn)行的機(jī)械類型，從而保障自動注液機(jī)的運(yùn)行需求。例如，可以采用模糊評價(jià)法，在列舉自動注液機(jī)機(jī)械系統(tǒng)全部的功能元選擇后，以最優(yōu)的搭配方式得到符合自動注液機(jī)運(yùn)行需求的機(jī)械設(shè)計(jì)方案（表1）。

表1 自動注液機(jī)機(jī)械系統(tǒng)功能元

根據(jù)表1，結(jié)合扣式電池生產(chǎn)制造的總體情況，從以上選擇中篩選出3個(gè)最有價(jià)值的機(jī)械系統(tǒng)組合方案，即：

方案一，A1-B1-C1-D1-E1-F1-G2-H1；

方案二，A1-B3-C1-D3-E1-F1-G2-H1；

方案三，A3-B2-C1-D1-E1-F2-G2-H3。

應(yīng)用模糊評價(jià)方法對以上3種方案進(jìn)行評價(jià)，在重點(diǎn)考慮自動注液機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的功能性、動載性、使用性以及經(jīng)濟(jì)性四項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建能夠通用一個(gè)等級評價(jià)的矩陣，對方案進(jìn)行排列，得到方案一的評價(jià)值為0.316，方案二的評價(jià)值為0.2883，方案三的評價(jià)值為0.3958，因而可以判斷方案三優(yōu)于其他兩種設(shè)計(jì)方案，可以將其作為自動注液機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2.2 自動注液機(jī)運(yùn)行方案

在明確自動注液機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)后，在進(jìn)行自動化系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)前，還應(yīng)明確自動注液機(jī)的運(yùn)行原理，考慮以更優(yōu)化的注液工作原理來為自動化系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

以推動扣式電池生產(chǎn)自動化為主要目的，在設(shè)計(jì)自動注液機(jī)的過程中，可以考慮將扣式電池的注液以及組立過程結(jié)合起來，以設(shè)計(jì)一體機(jī)的方式來進(jìn)一步提升扣式電池的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。一體機(jī)應(yīng)由工作臺、生產(chǎn)線構(gòu)成，其中，針對自動注液裝置的設(shè)計(jì)，以工作臺為主，工作臺上布置有正極殼加工生產(chǎn)線（圖3）以及負(fù)極殼加工生產(chǎn)線。

圖3 正極殼加工生產(chǎn)線

正極殼加工生產(chǎn)線由正極殼輸送機(jī)構(gòu)，正極殼上料機(jī)構(gòu)、正極殼注液機(jī)構(gòu)、正極殼循環(huán)靜置機(jī)構(gòu)組成。由正極殼上料機(jī)構(gòu)中的震動盤上料組件，將正極殼輸送給正極殼輸送機(jī)構(gòu)，正極殼在經(jīng)過正極殼主業(yè)機(jī)構(gòu)時(shí)，由手指氣缸驅(qū)動做開合運(yùn)動的夾塊，以便對正極殼進(jìn)行夾持定位，由注液機(jī)構(gòu)控制注液針對正極殼進(jìn)行注液。完成注液后，正極殼被輸送至正極殼的循環(huán)靜置機(jī)構(gòu)，對正極殼進(jìn)行循環(huán)靜置和烘干處理，從而有效加速殼內(nèi)電解液的吸收。

雖然負(fù)極殼的注液和輸送過程與正極殼基本一致，但在負(fù)極殼的注液和輸送過程中，以實(shí)現(xiàn)扣式電池的注液和組立一體化為主要目的，還應(yīng)考慮在負(fù)極殼的加工生產(chǎn)線中，由等距支撐平臺構(gòu)成供給負(fù)極殼滑動通過的通道，且該通道的一側(cè)被擋板阻擋，另一側(cè)安裝有帶動負(fù)極殼前進(jìn)運(yùn)動的等距導(dǎo)板，等距導(dǎo)板中還帶有可供負(fù)極殼卡入的電池槽。在負(fù)極殼的注液和輸送過程中，等距導(dǎo)板可以與支撐滑動平臺共同發(fā)揮作用，與負(fù)極殼實(shí)現(xiàn)配合。

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在明確自動注液機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)運(yùn)行流程方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮以構(gòu)建模型的方式，對基于設(shè)計(jì)方案的自動注液機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)和配件進(jìn)行虛擬裝配，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)出注液機(jī)的虛擬樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的相關(guān)程序，以對虛擬樣機(jī)在干涉、碰撞檢驗(yàn)?zāi)K的間隙檢查為主，通過靜態(tài)干涉、碰撞分析、全局干涉、全局間隙檢查等方式，驗(yàn)證文章中提出的自動注液機(jī)結(jié)構(gòu)方案的合理性與可靠性。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自動注液機(jī)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)在結(jié)合扣式電池廠家生產(chǎn)規(guī)模的前提下，明確扣式電池注液生產(chǎn)控制的主要行進(jìn)方向，同時(shí)基于注液部分的要求，應(yīng)用PLC 控制程序來繪制更具體的自動注液系統(tǒng)程序，在明確各個(gè)程序步驟之間相互關(guān)系的前提下，得到更理想的扣式電池注液生產(chǎn)程序。

具體而言，對自動注液機(jī)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)在明確用于系統(tǒng)自動控制的主要設(shè)備和控制要求基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。用于自動注液機(jī)系統(tǒng)自動控制的設(shè)備，應(yīng)包括觸摸屏、傳送帶、機(jī)械手、電子稱、控制柜等。

自動化系統(tǒng)的運(yùn)行過程，主要由傳送帶將電池輸送至注液區(qū)域后，基于保障注液精度的目的，在注液前先稱取電池重量，由PLC 程序來實(shí)現(xiàn)重量信號的傳送。PLC 接收到重量信號后，可以直接向機(jī)械手觸發(fā)信號，由機(jī)械手以垂直運(yùn)動的方式夾取電池，將電池放入注液機(jī)構(gòu)的下端并對電池位置進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)械手將位置信號傳送給CPU 后，注液機(jī)構(gòu)就可以基于CPU 的觸發(fā)信號來給電池注液。在電池的注液量達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)后，注液機(jī)構(gòu)自動停止，輸送帶能夠在接收信號之后啟動，由電子稱稱取注液后的電池重量。對未達(dá)到電池注液質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，也可以由系統(tǒng)自動區(qū)分并剔除。

在基于PLC 的自動注液機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，主要基于扣式電池的生產(chǎn)需求，選擇合適的控制系列模塊，應(yīng)保證選擇的觸摸屏具有良好的人機(jī)對話功能，能夠及時(shí)將各種控制指令發(fā)送給PLC，搭配警示指示燈以及機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)系統(tǒng)的控制和調(diào)試。對自動注液機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，則應(yīng)在明確扣式電池實(shí)際生產(chǎn)中各類動作先后順序以及相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)流程圖（圖4）。

圖4 自動注液機(jī)系統(tǒng)主程序流程

自動注液機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的PLC，主要由微處理器、數(shù)字信號、功能接口模塊、電源模塊以及通信處理器等用于編程的設(shè)備構(gòu)成?？紤]扣式電池生產(chǎn)制造的基本需求，在自動注液機(jī)中應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)，應(yīng)主要采用循環(huán)掃描的工作方式來達(dá)到集中采樣和輸出控制的目的，由的多種濾波形式構(gòu)成電源以及輸入輸出電路，讓電源裝置能夠自動發(fā)揮調(diào)整和保護(hù)的作用。在微處理器方面也可以通過一定的屏蔽措施來提升系統(tǒng)整體運(yùn)行的抗干擾能力。

結(jié)合扣式電池生產(chǎn)一體化的要求和生產(chǎn)現(xiàn)場情況，在自動注液機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行前，需要對各項(xiàng)具體的裝置開關(guān)是否正常進(jìn)行檢查，做好故障排除工作。為保證自動注液的質(zhì)量效果，需要在PLC 程序中設(shè)置能夠讓系統(tǒng)中途自動停止的程序指令。例如，在電解液注滿的情況下，設(shè)置解除按鍵來讓系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常運(yùn)行，設(shè)置停止按鍵，讓系統(tǒng)能夠在完成一個(gè)運(yùn)行周期后自動在系統(tǒng)的初始位停止，便于系統(tǒng)在啟動后恢復(fù)正常運(yùn)行的狀態(tài)。在這一過程中，應(yīng)注重對觸摸屏與系統(tǒng)程序之間的有效聯(lián)系。

以滿足扣式電池生產(chǎn)制造為主要目的，對自動注液機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮基于自動化和一體化的發(fā)展趨勢，在對自動注液機(jī)自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，使自動注液機(jī)與扣式電池的整個(gè)生產(chǎn)制造過程融合，以更協(xié)調(diào)的方式來實(shí)現(xiàn)對于電池注液精度的控制，從而有效提升扣式電池的生產(chǎn)質(zhì)量效果。

3 結(jié)束語

綜上所述，自動注液機(jī)能夠有效滿足扣式電池生產(chǎn)制造的需要，以自動化的生產(chǎn)經(jīng)營模式來提升扣式電池的應(yīng)用效果，也能夠保證扣式電池的生產(chǎn)質(zhì)量。對扣式電池應(yīng)用的自動注液機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)在明確扣式電池生產(chǎn)制造依賴的注液結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，從機(jī)械以及系統(tǒng)運(yùn)行程序兩個(gè)方面來發(fā)揮自動注液機(jī)的功能和作用，從而有效提升扣式電池應(yīng)用的可靠性和安全性。