鋰電池高速自動套管機自動上料系統(tǒng)設計與仿真*

明心健，夏琴香※，劉秀娟，曹海霞

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641；2.珠海華冠科技股份有限公司，廣東珠海 519000）

由于比能量高、安全性高、體積小、使用壽命長、污染小等優(yōu)點，目前鋰離子電池的應用范圍越來越廣[1]。隨著技術的不斷發(fā)展，鋰電池的容量將會不斷擴大。考慮到新能源汽車逐漸退補的影響，2018年以前動力鋰電池增速相對2018年以后更快[2]。此外，隨著鋰電池技術的快速發(fā)展，使得鋰電市場對鋰電生產設備的技術性能不斷提出更高的要求，鋰電裝備行業(yè)的發(fā)展必須適應鋰電技術和鋰電產業(yè)發(fā)展的變化趨勢[3]。

鋰電池高速自動套管機是將具有絕緣作用的PVC或PET膠管套在電池外殼上，并將由PVC或塊巴紙沖制的絕緣墊片放置于電池正極端部，最后通過膠管熱收縮系統(tǒng)使膠管緊緊套在鋰離子電池外的設備[4-6]。作為功能完備的自動套管設備，最開始的重要結構是設備的上料系統(tǒng)。上料系統(tǒng)的作用是自動將工件以準確的數量、位置和時間向生產線傳送和定位，是自動化生產線的重要組成部分，決定著設備的自動化程度和工作效率[7]。鋰電池高速自動套管機的自動上料系統(tǒng)主要是通過相應的機械轉接機構將裸露的鋰離子電池從前一道生產工序傳送到鋰電池高速自動套管機的主轉盤上，以便在主轉盤上進行套膠管、上墊片等工序。

本文作者分析自動上料系統(tǒng)的工作原理，并通過SolidWorks三維建模軟件建立自動上料系統(tǒng)的三維模型，利用SolidWorks與ADAMS軟件間的數據交換接口，在ADAMS軟件中建立自動上料系統(tǒng)的虛擬樣機模型進行運動學分析，驗證自動上料系統(tǒng)結構設計的合理性。

1 自動上料方式分析

一個好的送料裝置必須對工件進行正確的定向和定位，保證工件能順利進入裝配系統(tǒng)，同時應具備足夠的儲料空間和送料效率[8]。根據上料器的運動特性，可將其劃分為直線往復式、槽輪式、擺動式和升降式等[9]。在滿足機構功能完整的情況下，為使機構的結構簡單，并且節(jié)省空間，該設備采用直線往復式的上料方式。為實現高速自動套管機生產效率加倍的設計要求，在自動上料系統(tǒng)上引入多工位并行的原理，設計自動上料系統(tǒng)由上料皮帶機構和上料推塊機構兩部分組成，如圖1所示。上料皮帶機構由電機驅動連續(xù)運動，將一對立式的裸露鋰離子電池傳送至推塊機構，由推塊機構進行間歇式運動以完成上料，推塊機構每工作一次完成兩個裸露電池的上料。

圖1 自動上料系統(tǒng)工作原理圖

2 自動上料系統(tǒng)結構設計及模型建立

2.1 上料皮帶機構的結構設計

當從上個鋰電生產設備完成相應工序獲得的裸露鋰電池被輸送到本設備的上料皮帶上時，該設備的上料皮帶機構則將輸送裸電池至上料推塊機構的上料位置，以便上料推塊機構完成上料工序。

該機構主要由上料調速電機、上料皮帶、接近開關、固定座及光電開關組成，上料皮帶機構的結構如圖2所示，為節(jié)省設備的空間，上料皮帶按如圖3所示布置。工作時，上料調速電機驅動上料皮帶運動，上料皮帶帶動裸電池向前運動，并依次經過由接近開關組成的滿料檢測、電池歪斜檢測，最終電池待上料位置，等待上料推塊機構動作完成上料。

圖2 上料皮帶機構

2.2 上料推塊機構的結構設計

當自動上料皮帶將裸電池輸送至待上料位置時，應由自動上料系統(tǒng)中的自動上料推塊機構完成電池的最終上料動作，使電池能夠準確、平穩(wěn)地落于主轉盤的電池座上，并由電池座上的強力磁鐵吸住，隨著主轉盤轉動輸送至套膠管工序。

圖3 上料皮帶布置示意圖

上料推塊機構主要完成夾持電池、輸送電池兩個動作。該機構設計采用上料推氣缸和上料擋氣缸兩個氣缸完成電池的夾持工作，如圖4所示，兩氣缸由固定塊1、2固定于推塊上。工作時，先由兩氣缸動作將輸送至待上料位置的電池夾持住，然后由固定兩氣缸的推塊沿著導軌運動，完成電池的上料工序，上料推塊機構的結構如圖5所示。

圖4 上料推塊機構氣缸夾持部分

2.3 自動上料系統(tǒng)的總體設計

利用SOLIDWORKS軟件繪制上料皮帶機構和上料推塊機構，并裝配得到自動上料系統(tǒng)三維模型，獲得自動上料系統(tǒng)的整體結構如圖6所示。自動上料皮帶機構和上料推塊機構均由固定座固定于設備的工作臺上，各動作在設備控制系統(tǒng)的控制有序、高效穩(wěn)定地進行。

圖6 自動上料系統(tǒng)三維模型

3 自動上料系統(tǒng)虛擬樣機運動學仿真分析

3.1 自動上料系統(tǒng)虛擬樣機模型的構建

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，可以驗證結構設計的合理性。如圖7所示為自動上料系統(tǒng)ADAMS仿真流程，建立簡化后的自動上料系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖8所示。

圖7 自動上料系統(tǒng)ADAMS仿真流程

根據仿真流程進行約束、運動副和驅動等的添加，在進行ADAMS軟件仿真的設置前，需要先確定仿真機構的運動時序情況，以便進行驅動函數的設置。

如圖9所示為自動上料系統(tǒng)驅動裝置動作時序圖，按照設計要求，整個高速自動套管機的生產效率需達到120個/min，根據設備多工序運行的設計，整個自動上料系統(tǒng)的工作周期為1 s。自動上料系統(tǒng)在工作過程中，首先是由上料調速電機進行間歇的旋轉運動，以此來帶動上料皮帶間歇運動；當皮帶上的電池運送至上料區(qū)域時，上料推氣缸動作并與上料擋氣缸夾緊電池；然后由旋轉運動的擺臂使整個推塊機構直線動作完成上料動作。主轉盤電機將動力傳輸至分割器上，由分割器控制主轉盤的間歇旋轉動作，主轉盤處分割器的驅動時間為7/12 s，定位時間為5/12 s，且主轉盤每個周期內順時針轉動18°，當推塊機構將電池上料至主轉盤的電池座后，由主轉盤旋轉輸送電池至下一工序處。

圖9 自動上料系統(tǒng)驅動裝置動作時序圖

3.2 仿真求解及后處理分析

當完成自動上料系統(tǒng)裝配、約束及驅動添加和函數定義等前處理設置后，利用ADAMS軟件的模型檢查功能進行檢查，檢查模型是否正確，以便對模型進行修改與完善，完成套管機虛擬樣機的建立。進入腳本仿真，腳本仿真設定運行時間為1 s，步數為50步，進行自動上料系統(tǒng)的運動學分析。對機構的動作進行觀察，通過動畫發(fā)現各機構之間的配合運動合理，且沒有產生干涉，因此系統(tǒng)結構設計合理。

在后處理中，繪制得到上料電池與U形推塊及擋塊接觸力隨時間的變化關系曲線如圖10所示，其中實線曲線表示上料電池與U形推塊間的接觸力隨時間的變化關系，虛線表示上料電池與擋塊的接觸力隨時間的變化關系?？梢钥闯霎斏狭贤?、擋氣缸夾住電池后運行平穩(wěn)，接觸力穩(wěn)定。讀取曲線上的數據，可知U形推塊在0.05 s處與電池接觸，并在此時由于推塊機構機和U形推塊的作用下使接觸力到達最大，為155.95 N；電池在0.10 s處與擋塊開始接觸，此接觸力在0.11 s時達到最大值，為-12.44 N（“-”表示力的方向與電池和U形推塊間的接觸力方向相反），此時電池和U形推塊間接觸力為12.49 N，可知兩接觸力數值大小幾乎相等、方向相反，電池處于受力平衡狀態(tài)。

圖10 電池與U形推塊及擋塊間接觸力隨時間的變化關系

如圖11所示為上料電池軸線及電池座軸線隨時間變化的曲線，利用ADAMS軟件的數據處理子工具欄對圖中兩曲線進行曲線相減處理，獲得上料電池軸線與電池座軸線間距離隨時間的變化曲線如圖12所示。在推塊機構和上料推、擋氣缸的作用下，從0.24 s開始，上料電池軸線與電池座軸線之間的距離逐漸趨于0。

圖11 電池軸線及電池座軸線隨時間變化的曲線

圖12 電池軸線與電池座軸線間距離隨時間的變化曲線

4 結論

通過引入多工位并行的原理設計鋰電池高速自動套管機的自動上料系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件建立自動上料系統(tǒng)的三維模型，并導入ADAMS軟件中進行運動學分析，得到以下結論：

（1）對機構的動作進行觀察，通過仿真動畫可看出機構之間的配合運動合理，且沒有產生干涉，表明直線往復式的上料方式以及自動上料系統(tǒng)的結構設計合理。

（2）當兩氣缸均與上料電池接觸時，兩接觸力數值大小幾乎相等、方向相反，電池處于受力平衡狀態(tài)。

（3）通過后處理曲線分析，采用兩個氣缸夾持待上料電池能夠使上料平穩(wěn)，并且保證電池上料精確。