紐扣式超級(jí)電容自動(dòng)組立焊接機(jī)研制

武智惠，劉寶琛，孫曉幫

(1.遼寧博艾格電子科技有限公司,遼寧 朝陽(yáng) 122000;2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,遼寧錦州 121000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)綠色能源越來(lái)越關(guān)注，超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，具有充放電速度快、無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、大電流放電能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在最近幾年中，超級(jí)電容器已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域中開始批量使用，如新能源汽車領(lǐng)域、消費(fèi)電子領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等[1]。

由于生產(chǎn)工藝原因，單體超級(jí)電容的額定工作電壓一般低于3 V，在實(shí)際應(yīng)用中需要串聯(lián)使用以滿足大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。所以單體電容的串聯(lián)焊接是滿足大功率儲(chǔ)能需求的關(guān)鍵工藝。超級(jí)電容器在國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚，大多數(shù)企業(yè)采用傳統(tǒng)焊接工藝，傳統(tǒng)焊接工藝需要5名工人和2臺(tái)焊機(jī)，每臺(tái)焊機(jī)需要人民幣分別為10萬(wàn)元以上和5萬(wàn)元以上。實(shí)現(xiàn)這種焊接工藝過(guò)程所需要的成本高，生產(chǎn)效率低，一般為5 000支/8小時(shí)。因此，研發(fā)紐扣式超級(jí)電容自動(dòng)組立焊接設(shè)備在節(jié)約成本、減少勞動(dòng)力和提高生產(chǎn)效率方面具有重要意義。

1 自動(dòng)組立焊接機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 紐扣式超級(jí)電容組立焊接過(guò)程

紐扣式超級(jí)電容組立結(jié)構(gòu)及元件組成如圖1所示，焊接制造過(guò)程為：首先將連接片底面焊接到單體電容的正極(上表面)上，然后將另一只單體電容的側(cè)面與已焊接底面的連接片沿邊緣焊接[2]。

圖1 紐扣式超級(jí)電容組立結(jié)構(gòu)及元件組成

1.2 自動(dòng)組立焊接機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

紐扣式超級(jí)電容自動(dòng)組立焊接機(jī)整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。整個(gè)自動(dòng)組立焊接機(jī)包括以下幾個(gè)部分：

(1) Ⅰ上電容工位：包括Ⅰ工位振動(dòng)盤5、Ⅰ工位升降氣缸6、Ⅰ工位前后氣缸7、Ⅰ工位真空吸嘴8。Ⅰ工位振動(dòng)盤上料到位后，Ⅰ工位升降氣缸下降，真空吸嘴吸起電容，Ⅰ工位升降氣缸上升，Ⅰ工位前后氣缸前進(jìn)到位，Ⅰ工位升降氣缸下降到Ⅰ工位，Ⅰ工位真空吸嘴破真空，將電容放入Ⅰ工位。

1-電機(jī)；2-離合制動(dòng)器；3-凸輪分割器；4-轉(zhuǎn)盤；5-Ⅰ工位振動(dòng)盤；6-Ⅰ工位升降氣缸；7-Ⅰ工位前后氣缸；8-Ⅰ工位真空吸嘴；9-Ⅲ工位振動(dòng)盤；10-Ⅲ工位升降氣缸；11-Ⅲ工位前后氣缸；12-Ⅲ工位真空吸嘴；13-Ⅳ工位升降氣缸；14-Ⅳ工位焊頭；15-Ⅴ工位真空吸嘴；16-Ⅴ工位前后氣缸；17-Ⅴ工位升降氣缸；18-Ⅴ工位振動(dòng)盤；19-Ⅵ工位下壓氣缸；20-Ⅵ工位夾合氣缸；21-Ⅵ工位焊頭；22-Ⅶ工位平推氣缸；23-成品儲(chǔ)物盒；24-Ⅶ工位頂升氣缸

(2) Ⅱ工位：空。

(3) Ⅲ上連接片工位：包括Ⅲ工位振動(dòng)盤9、Ⅲ工位升降氣缸10、Ⅲ工位前后氣缸11、Ⅲ工位真空吸嘴12。Ⅲ工位除了上的料為連接片外，動(dòng)作與Ⅰ工位動(dòng)作相同。

(4) Ⅳ焊接底面工位：包括Ⅳ工位升降氣缸13、Ⅳ工位焊頭14。物料到達(dá)Ⅳ工位后，Ⅳ工位升降氣缸下降，Ⅳ工位焊頭接觸物料并釋放電流，焊接完成后，Ⅳ工位升降氣缸回退到原位。

(5) Ⅴ上電容工位：包括Ⅴ工位真空吸嘴15、Ⅴ工位前后氣缸16、Ⅴ工位升降氣缸17、Ⅴ工位振動(dòng)盤18。Ⅴ工位與Ⅰ工位動(dòng)作完全一致。

(6) Ⅵ側(cè)面焊接工位：包括Ⅵ工位下壓氣缸19、Ⅵ工位夾合氣缸20、Ⅵ工位焊頭21。物料到達(dá)后，Ⅵ工位下壓氣缸下壓到位，Ⅵ工位夾合氣缸進(jìn)行夾合，兩側(cè)的Ⅵ工位焊頭接觸物料并釋放電流，側(cè)面焊接完成后，所有氣缸回退到原位。

(7) Ⅶ下成品工位：包括Ⅶ工位平推氣缸22、成品儲(chǔ)物盒23、Ⅶ工位頂升氣缸24。物料到達(dá)Ⅶ工位后，Ⅶ工位頂升氣缸將物料上頂，隨即Ⅶ工位平推氣缸前推，將物料推至成品儲(chǔ)物盒中。

(8) Ⅷ工位：空。

(9) 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)：包括拖動(dòng)減速電機(jī)1、離合制動(dòng)器2、凸輪分割器3和轉(zhuǎn)盤4。拖動(dòng)減速電機(jī)通過(guò)離合制動(dòng)器控制其動(dòng)力間斷傳遞，通過(guò)凸輪分割器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的間歇運(yùn)動(dòng)。

2 自動(dòng)組立焊接機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)

自動(dòng)組立焊接機(jī)的SolidWorks三維模型如圖3所示。本項(xiàng)目針對(duì)超級(jí)電容單體與連接片的抓取動(dòng)作采用氣缸與真空吸嘴組合的結(jié)構(gòu)，焊機(jī)采用技術(shù)成熟的儲(chǔ)能焊機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤的間歇工作利用凸輪分割器與離合制動(dòng)器組合控制的原理。

圖3 自動(dòng)組立焊接機(jī)SolidWorks三維模型

3 自動(dòng)組立焊接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC控制單元采用歐姆龍CP1E-40DT-D控制單元，擴(kuò)展采用CP1W-20EDR，能滿足36路開關(guān)量輸入、24路繼電器輸出的要求。

根據(jù)傳統(tǒng)超級(jí)電容組立焊接方法，設(shè)計(jì)自動(dòng)組立焊接機(jī)控制系統(tǒng)程序流程如圖4所示。其中每一個(gè)工位的動(dòng)作都是同步的，只有所有工位的動(dòng)作都完成后，凸輪分割器才會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位的角度。設(shè)計(jì)Ⅱ工位與Ⅷ工位為空工位的目的是方便組件的安裝與拆卸，方便后續(xù)設(shè)備維護(hù)，避免運(yùn)動(dòng)干涉。PLC程序使用梯形圖進(jìn)行開發(fā)[3，4]，根據(jù)工作流程運(yùn)用順序控制的方式設(shè)計(jì)，其中Ⅰ工位PLC程序梯形圖如圖5所示。

圖4 電容自動(dòng)組立焊接機(jī)控制系統(tǒng)程序流程圖

圖5 Ⅰ工位PLC程序梯形圖

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏利用RS-232總線與PLC進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)控制并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行情況[5]。

該系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了主控界面、設(shè)置界面、調(diào)試界面與幫助界面。其中主控界面如圖6所示。按動(dòng)啟動(dòng)按鈕時(shí)，組立焊接機(jī)會(huì)按照事先設(shè)置好的參數(shù)運(yùn)行。如果運(yùn)行期間出現(xiàn)異常，報(bào)警指示燈會(huì)亮起，可通過(guò)報(bào)警解除按鈕解除報(bào)警。在運(yùn)行過(guò)程中，按動(dòng)急停按鈕，可以停在當(dāng)前狀態(tài)位置，當(dāng)按動(dòng)停止按鈕，設(shè)備會(huì)停到下一工位，再按動(dòng)啟動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備會(huì)在該工位開始運(yùn)行。

圖6 觸摸屏主控界面

4 自動(dòng)組立焊接機(jī)的實(shí)現(xiàn)

4.1 自動(dòng)組立焊接機(jī)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)組立焊接機(jī)設(shè)計(jì)完成后，委托外包機(jī)械加工，經(jīng)加工裝配并完成配線，自動(dòng)組立焊接機(jī)實(shí)物如圖7所示。

圖7 自動(dòng)組立焊接機(jī)實(shí)物圖

4.2 自動(dòng)組立焊接機(jī)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

(1) 上料動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。按下啟動(dòng)按鈕，振動(dòng)盤通電后產(chǎn)生振動(dòng)，物料按運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)。PLC檢測(cè)到物料達(dá)到位置時(shí)，氣缸與真空吸嘴配合將物料放置在轉(zhuǎn)盤的工位胎具上。

(2) Ⅳ工位底面焊接動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。在Ⅳ工位，PLC給焊接機(jī)指令，焊機(jī)焊頭下壓，當(dāng)焊頭下壓至與連接片底面接觸時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出下壓到位信號(hào)，焊機(jī)輸出大電流，將連接片底面焊接到單體電容正極面上。

(3) Ⅵ工位側(cè)面焊接動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)盤在Ⅵ工位時(shí)，工位胎具中已經(jīng)有一個(gè)單體電容正極焊接上連接片，并且連接片上又放置了一個(gè)單體電容。PLC控制將工件夾緊后，給焊機(jī)指令，焊機(jī)的左、右焊頭向中心夾合，當(dāng)焊頭夾合到與連接片側(cè)面相接觸時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出夾合到位信號(hào)，焊機(jī)輸出大電流，將電容單體側(cè)面焊接到連接片側(cè)面。

(4) 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一步。Ⅰ工位～Ⅶ工位均工作完畢，PLC控制離合器結(jié)合，制動(dòng)器打開，按轉(zhuǎn)動(dòng)光電開關(guān)位置驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一步。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 設(shè)計(jì)出8工位轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，利用凸輪分割器的間歇運(yùn)動(dòng)和離合控制器的通斷控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的間歇時(shí)間控制。

(2) 利用單臺(tái)儲(chǔ)能焊接機(jī)設(shè)計(jì)出兩個(gè)工位分時(shí)焊接裝置，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容底面和側(cè)面的自動(dòng)組立焊接，降低了成本。

(3) 開發(fā)出PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組立焊接機(jī)的信號(hào)檢測(cè)與聯(lián)動(dòng)，大大提高了工作效率。

設(shè)備運(yùn)行結(jié)果表明，紐扣式超級(jí)電容自動(dòng)組立焊接機(jī)運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)速度達(dá)到30支/分鐘，極大地提高了工作效率，降低了勞動(dòng)成本，滿足了設(shè)計(jì)要求。