孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州 450046)

圓柱電池集流片電阻焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，鄭州 450046)

針對(duì)圓柱電池電芯與集流片的電阻點(diǎn)焊，設(shè)計(jì)了6工位焊接系統(tǒng)，分別為電芯上料工位、集流片上料工位、焊接工位、預(yù)折彎工位、折彎工位和成品下料工位。每個(gè)工位可同時(shí)運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，自動(dòng)焊接，且完成焊接后對(duì)集流片自動(dòng)折彎處理，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)約了人力成本。

集流片 電阻焊 6工位 自動(dòng)化

0 序 言

鋰離子電池因其高能量密度，高功率輸出等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛發(fā)展[1-3]。集流片一般分為正極和負(fù)極集流片，根據(jù)電池的制造工藝，需要將電池基體(常稱作電池電芯)與集流片通過(guò)焊接連接在一起，起到對(duì)外輸出電壓的接口。

目前電池芯與集流體的焊接采用電阻焊的方式，相對(duì)于超聲波焊接或者激光焊，電阻焊的投入成本較低，對(duì)工件的加工精度要求不高[4-5]。電池生產(chǎn)廠一般采用人工操作或者簡(jiǎn)單的機(jī)械配合人工操作，效率比較低，已經(jīng)不能滿足鋰電池日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，減少人工操作，是鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的必由之路。但是自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)復(fù)雜且一次性投入成本較高，一般企業(yè)無(wú)法承擔(dān)。需要結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)及加工工藝需求，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化流程設(shè)計(jì)，盡量節(jié)約投入成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率[6-8]。

文中結(jié)合鋰電池的生產(chǎn)工藝流程，設(shè)計(jì)了一整自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)完成了電池電芯與集流片的焊接及集流片的折彎工序。

1 焊接產(chǎn)品需求及總體結(jié)構(gòu)

1.1 產(chǎn)品需求

待焊產(chǎn)品分為兩部分：圓柱電池(后面簡(jiǎn)稱為電芯)和集流片。需將集流片和電芯焊接在一起，焊接完成后對(duì)集流片進(jìn)行折彎，電芯殼體材質(zhì)為鋁，電芯直徑為22 mm，長(zhǎng)32 mm，集流片為沖壓件。集流片材質(zhì)為鎳，厚度0.3 mm。

1.2 焊接設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

為保證焊接產(chǎn)能，采用全自動(dòng)上料和下料。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，先將集流片和電芯焊接在一起，焊接完成后對(duì)集流片進(jìn)行折彎處理，完成后自動(dòng)下料，設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)均有物料檢測(cè)傳感器，若設(shè)備處于無(wú)料狀態(tài)，則其停止運(yùn)行并報(bào)警。設(shè)備主要由上料組件、夾具組件、下料組件和操控組件等幾部分組成如圖1所示。

圖1 設(shè)備總體機(jī)構(gòu)圖

2 6工位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6工位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)盤形式，6個(gè)工位含有6套隨行夾具。每套隨行夾具均為氣動(dòng)夾緊，可保證夾緊力穩(wěn)定，動(dòng)作順序邏輯性和運(yùn)行穩(wěn)定性。6個(gè)工位組件分別為：電芯上料工位(上料方式為皮帶運(yùn)輸，機(jī)械手抓取的方式)、集流片上料工位、焊接工位、預(yù)折彎工位、折彎工位和成品下料工位(同電芯上料工位)。其中電芯上料工位和集流片上料方式為半自動(dòng)方式，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，人工將一定批量的集流片放入出料機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)機(jī)構(gòu)配合，可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)上料，大大提升設(shè)備生產(chǎn)效率；焊接方法為電阻焊，采用焊針點(diǎn)焊；預(yù)折彎工位為輔助工位，為折彎工位做準(zhǔn)備，該工位可將集流片進(jìn)行整形；折彎工位為一氣動(dòng)組合機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)集流片的最終折彎；下料工位同電芯上料工位類似。整個(gè)夾具組件機(jī)構(gòu)緊湊，各工位分工協(xié)作，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效運(yùn)行。

2.1 上料組件設(shè)計(jì)

電芯上料組件為全自動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由皮帶、電機(jī)、傳感器、動(dòng)械手和對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成。皮帶起輸送作用；電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶旋轉(zhuǎn)，為動(dòng)力機(jī)構(gòu)；傳感器起三個(gè)檢測(cè)作用:①為有料檢測(cè)，若一定時(shí)間內(nèi)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)(即沒(méi)有物料)，則判斷為上料組件處于缺料狀態(tài)(此時(shí)設(shè)備報(bào)警);②為保證夾具組件在上料過(guò)程中能上到物料(上料過(guò)程由機(jī)械手抓取，若傳感器沒(méi)檢測(cè)到信號(hào)，則機(jī)械手不動(dòng)作);③為起到計(jì)數(shù)作用，每上一個(gè)物料，則數(shù)量都反饋在PLC觸摸屏上，方便統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量；機(jī)械手起抓取作用，將傳送帶上的物料抓取放入隨行夾具內(nèi)，上料組件如圖2a所示。

機(jī)械手主要由舉升氣缸、擺缸和兩個(gè)氣爪組成，如圖2b所示。抓取物料時(shí)，各氣缸運(yùn)動(dòng)步驟為：氣爪松開(kāi)→舉升氣缸伸出→擺缸旋轉(zhuǎn)90°→舉升氣缸縮回→氣爪夾緊(此時(shí)抓取電芯)→舉升氣缸伸出→擺缸復(fù)位(旋轉(zhuǎn)90°)→舉升氣缸縮回→氣爪松開(kāi)。此后依次循環(huán)，重復(fù)以上的動(dòng)作。

2.2 集流片上料工位設(shè)計(jì)

如圖3a所示，集流片上料工位的機(jī)構(gòu)主要由左上料工位和右上料工位兩部分組成，左右兩個(gè)上料工位結(jié)構(gòu)呈鏡像關(guān)系，文中選取一方(右上料工位)進(jìn)行詳細(xì)描述。右上料工位由儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)、同步帶機(jī)構(gòu)等組成。設(shè)備開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)，將集流片放入儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)的導(dǎo)料桿內(nèi)，因?yàn)榧髌瑸橹锌战Y(jié)構(gòu)，故導(dǎo)料桿能將集流片固定住，右上料工位的集流片儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)為兩工位機(jī)構(gòu)，局部放大圖如圖3b所示。每個(gè)工位能儲(chǔ)料300件，故右工位能儲(chǔ)料600件，整個(gè)集流片上料工位可儲(chǔ)料1 200件，一次性上料1 200件可大大減少上料時(shí)間，增加設(shè)備產(chǎn)能和效率。集流片上料由旋轉(zhuǎn)壓緊氣缸和真空吸盤一起完成，同步帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活動(dòng)托盤，當(dāng)真空吸盤吸走一個(gè)集流片時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶帶著活動(dòng)托盤往上運(yùn)動(dòng)一個(gè)集流片厚度的距離，依此循環(huán)。吸盤為仿形設(shè)計(jì)，中間有避位空，方便焊針出入，仿形結(jié)構(gòu)可增大真空吸附面積。

2.3 隨行夾具設(shè)計(jì)

隨行夾具置于轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤共有6個(gè)隨行夾具，隨行夾具為氣動(dòng)夾具，均布在轉(zhuǎn)盤上，如圖4a所示。轉(zhuǎn)盤由高精度DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，DD馬達(dá)為外圈轉(zhuǎn)動(dòng)形式，中心軸部分固定，可在中心部分放置多回路高速氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭，這樣轉(zhuǎn)盤帶著隨行夾具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣缸的氣管不會(huì)打結(jié)。

如圖4b所示，隨行夾具主要由定位夾具、氣缸、同步帶機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動(dòng)副等幾部分組成。定位夾具起對(duì)產(chǎn)品定位的作用；直線運(yùn)動(dòng)副由直線軸承和光軸組成，起導(dǎo)向作用；氣缸和直線運(yùn)動(dòng)副一起，可組成一個(gè)帶導(dǎo)向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；氣缸帶著壓塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的壓緊和松開(kāi)，對(duì)集流片的壓緊和松開(kāi)。此外，兩個(gè)定位夾具通過(guò)同步帶機(jī)構(gòu)連接在一起，焊接時(shí)通過(guò)可離合式摩擦輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定位夾具旋轉(zhuǎn)，這樣在點(diǎn)焊時(shí)，可以焊接多個(gè)點(diǎn)，加強(qiáng)焊接牢固程度。

電阻焊機(jī)采用天津科華焊接設(shè)備有限公司的UN200型號(hào)，電阻焊接工位如圖4c所示，電極2位焊針，其材質(zhì)為紅銅，直徑φ2 mm。焊針共有兩個(gè)，兩個(gè)焊針距離很近但不接觸，焊接時(shí)兩個(gè)焊針充當(dāng)正負(fù)電極；集流體與電芯配合位置如圖4d所示，焊接時(shí)兩個(gè)電極和集流體接觸，但只有電極壓住的地方才有加壓力，此處集流體和電芯接觸電阻遠(yuǎn)大于其他位置，通電后產(chǎn)生電阻熱使電芯和集流體接觸面熔化，從而達(dá)到焊接目的。

圖2 上料組件機(jī)構(gòu)圖

圖3 集流片上料工位機(jī)構(gòu)圖

圖4 隨行夾具機(jī)構(gòu)圖

在電阻焊過(guò)程中，決定焊接質(zhì)量主要由以下幾個(gè)因素：電流、通電時(shí)間、加壓壓力、電阻頂端直徑。文中所述焊接夾具內(nèi)，帶動(dòng)電極2的氣缸缸徑為32 mm，但整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶彈性預(yù)壓功能，最終電極2的加壓力為彈簧提供，可通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊壓縮量實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)加壓力的目的，其中加壓氣缸配備一單獨(dú)調(diào)壓閥。通過(guò)大量工藝驗(yàn)證，焊接電壓為1.4～1.6 V，電流為18～20 kA，加壓壓力1 kPa，保溫時(shí)間為0.4 s為最佳工藝參數(shù)，滿足最終焊接生產(chǎn)的質(zhì)量要求。所述電阻焊設(shè)備采用單獨(dú)電阻焊接電源，電源可由工控系統(tǒng)控制。

焊接完成后對(duì)成品作拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到40 N，滿足實(shí)際產(chǎn)品的批量生產(chǎn)需求。

2.4 焊接工位設(shè)計(jì)

焊接工位主體機(jī)構(gòu)如圖5所示，主要由焊針、夾塊、氣缸和彈簧等以及對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成，彈簧套在直線運(yùn)動(dòng)副內(nèi)，氣缸1帶著焊針往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)集流片進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，氣缸帶著焊針先焊接一點(diǎn)(左右兩個(gè)定位夾具一起焊)，焊接完成后氣缸1往上運(yùn)動(dòng)，焊針和集流片脫離，此后氣缸2開(kāi)始往前運(yùn)動(dòng)，帶著離合機(jī)構(gòu)往前，此時(shí)摩擦輪和隨行夾具的摩擦輪接觸，伺服電機(jī)將運(yùn)動(dòng)傳遞，然后兩個(gè)隨行夾具旋轉(zhuǎn)一定角度，氣缸1往下運(yùn)動(dòng)焊接另外的點(diǎn)，依此類推。焊接完成后，通過(guò)成品下料機(jī)構(gòu)完成下料，下料機(jī)構(gòu)與電芯上料機(jī)構(gòu)類似。

2.5 預(yù)折彎工位與折彎工位設(shè)計(jì)

焊接完成后，需對(duì)集流片進(jìn)行折彎處理，折彎分兩步：預(yù)折彎和折彎。預(yù)折彎為初步折彎，為后面的折彎工位做準(zhǔn)備。

預(yù)折彎工位和折彎工位機(jī)構(gòu)類似。如圖6所示，機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)氣缸、1個(gè)折彎片以及對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成，當(dāng)轉(zhuǎn)盤帶著隨行夾具運(yùn)動(dòng)到預(yù)折彎工位時(shí)，氣缸3先下壓，將電芯和集流片固定，此后氣缸1伸出，然后氣缸2帶著折彎片向上運(yùn)動(dòng)，三個(gè)氣缸按照此順序動(dòng)作，最終完成對(duì)集流片的預(yù)折彎。

圖5 焊接工位機(jī)構(gòu)圖

圖6 預(yù)折彎工位機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1)采用高精度DD馬達(dá)驅(qū)動(dòng)6工位轉(zhuǎn)盤，每個(gè)工位配備對(duì)應(yīng)的隨行夾具，單獨(dú)完成電芯上料、集流片上料、焊接、預(yù)折彎、折彎和成品下料工序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化。

(2)整套設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，無(wú)需人工操作，只需人工對(duì)物料及設(shè)備進(jìn)行管理，節(jié)約了人力成本。

(3)該系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍按照6個(gè)工位中最長(zhǎng)的時(shí)間即焊接時(shí)間計(jì)算，其他工位為獨(dú)立運(yùn)行，加工時(shí)間不累計(jì)。極大提高了生產(chǎn)產(chǎn)能，滿足生產(chǎn)廠家要求。

[1] 徐 蒙，張足茜，賈力氣，等. 圓柱型鋰離子動(dòng)力電池放電過(guò)程電化學(xué)與傳熱特性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(32): 54-61.

[2] 李林賀，鄧 適. 鋰電池極耳電阻焊焊接質(zhì)量改善[J]. 焊接技術(shù)，2013，42(6): 63-65.

[3] 王玉濤，龐 松，樊彥良，等. 超聲波焊接技術(shù)在鋰離子電池行業(yè)中的應(yīng)用[J]. 電池，2012，42(6): 350-351.

[4] 朱政強(qiáng)，吳宗輝，范靜輝，等. 超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 焊接技術(shù)，2010，39(12): 1-6.

[5] 劉紅偉，李京龍，馬 冰. 7A05鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭組織分析[J]. 焊接，2013(2):46-49.

[6] 周向陽(yáng)，劉 瑛，張 旗. 叉車滑架模塊式快速焊接夾具設(shè)計(jì)[J]. 電焊機(jī)，2014，44(4): 112-115.

[7] 李紹炎. 超薄不銹鋼膜盒式傳感器環(huán)縫的精密凸焊[J].焊接技術(shù)，2009，38(2): 23-26.

[8] 衣思平，許寶忠，李 梅，等. 鋰離子蓄電池極耳的激光自動(dòng)焊接[J]. 電源技術(shù)，2005，29(2): 80-81.

2016-06-21

TG454

孫雷明，1980年出生，碩士，講師。主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。