孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術學院 電氣工程系，鄭州 450046)

圓柱電池集流片電阻焊接系統設計

孫雷明 武漫漫

(河南職業(yè)技術學院 電氣工程系，鄭州 450046)

針對圓柱電池電芯與集流片的電阻點焊，設計了6工位焊接系統，分別為電芯上料工位、集流片上料工位、焊接工位、預折彎工位、折彎工位和成品下料工位。每個工位可同時運行，提高了生產效率。整個系統實現自動上下料，自動焊接，且完成焊接后對集流片自動折彎處理，提高了系統的自動化程度，節(jié)約了人力成本。

集流片 電阻焊 6工位 自動化

0 序 言

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

目前電池芯與集流體的焊接采用電阻焊的方式，相對于超聲波焊接或者激光焊，電阻焊的投入成本較低，對工件的加工精度要求不高[4-5]。電池生產廠一般采用人工操作或者簡單的機械配合人工操作，效率比較低，已經不能滿足鋰電池日益增長的市場需求。提高設備的自動化程度，減少人工操作，是鋰離子電池生產企業(yè)進行技術升級的必由之路。但是自動化產線設計復雜且一次性投入成本較高，一般企業(yè)無法承擔。需要結合產品的特點及加工工藝需求，對自動化生產線進行優(yōu)化流程設計，盡量節(jié)約投入成本，同時提高生產效率[6-8]。

文中結合鋰電池的生產工藝流程，設計了一整自動化系統，同時完成了電池電芯與集流片的焊接及集流片的折彎工序。

1 焊接產品需求及總體結構

1.1 產品需求

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

1.2 焊接設備總體結構

為保證焊接產能，采用全自動上料和下料。設備運行時，先將集流片和電芯焊接在一起，焊接完成后對集流片進行折彎處理，完成后自動下料，設備各個環(huán)節(jié)均有物料檢測傳感器，若設備處于無料狀態(tài)，則其停止運行并報警。設備主要由上料組件、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 設備總體機構圖

2 6工位系統設計

6工位系統結構為轉盤形式，6個工位含有6套隨行夾具。每套隨行夾具均為氣動夾緊，可保證夾緊力穩(wěn)定，動作順序邏輯性和運行穩(wěn)定性。6個工位組件分別為：電芯上料工位(上料方式為皮帶運輸，機械手抓取的方式)、集流片上料工位、焊接工位、預折彎工位、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方式，設備運行時，人工將一定批量的集流片放入出料機構內，通過機構配合，可實現逐個上料，大大提升設備生產效率；焊接方法為電阻焊，采用焊針點焊；預折彎工位為輔助工位，為折彎工位做準備，該工位可將集流片進行整形；折彎工位為一氣動組合機構，可實現集流片的最終折彎；下料工位同電芯上料工位類似。整個夾具組件機構緊湊，各工位分工協作，可實現設備的高效運行。

2.1 上料組件設計

電芯上料組件為全自動機構，主要由皮帶、電機、傳感器、動械手和對應機加件組成。皮帶起輸送作用；電機驅動皮帶旋轉，為動力機構；傳感器起三個檢測作用:①為有料檢測，若一定時間內傳感器沒有檢測到信號(即沒有物料)，則判斷為上料組件處于缺料狀態(tài)(此時設備報警);②為保證夾具組件在上料過程中能上到物料(上料過程由機械手抓取，若傳感器沒檢測到信號，則機械手不動作);③為起到計數作用，每上一個物料，則數量都反饋在PLC觸摸屏上，方便統計產量；機械手起抓取作用，將傳送帶上的物料抓取放入隨行夾具內，上料組件如圖2a所示。

機械手主要由舉升氣缸、擺缸和兩個氣爪組成，如圖2b所示。抓取物料時，各氣缸運動步驟為：氣爪松開→舉升氣缸伸出→擺缸旋轉90°→舉升氣缸縮回→氣爪夾緊(此時抓取電芯)→舉升氣缸伸出→擺缸復位(旋轉90°)→舉升氣缸縮回→氣爪松開。此后依次循環(huán)，重復以上的動作。

2.2 集流片上料工位設計

如圖3a所示，集流片上料工位的機構主要由左上料工位和右上料工位兩部分組成，左右兩個上料工位結構呈鏡像關系，文中選取一方(右上料工位)進行詳細描述。右上料工位由儲料機構、同步帶機構等組成。設備開始生產時，將集流片放入儲料機構的導料桿內，因為集流片為中空結構，故導料桿能將集流片固定住，右上料工位的集流片儲料機構為兩工位機構，局部放大圖如圖3b所示。每個工位能儲料300件，故右工位能儲料600件，整個集流片上料工位可儲料1 200件，一次性上料1 200件可大大減少上料時間，增加設備產能和效率。集流片上料由旋轉壓緊氣缸和真空吸盤一起完成，同步帶機構帶動活動托盤，當真空吸盤吸走一個集流片時，伺服電機驅動同步帶帶著活動托盤往上運動一個集流片厚度的距離，依此循環(huán)。吸盤為仿形設計，中間有避位空，方便焊針出入，仿形結構可增大真空吸附面積。

2.3 隨行夾具設計

隨行夾具置于轉盤上，轉盤共有6個隨行夾具，隨行夾具為氣動夾具，均布在轉盤上，如圖4a所示。轉盤由高精度DD馬達驅動，DD馬達為外圈轉動形式，中心軸部分固定，可在中心部分放置多回路高速氣動旋轉接頭，這樣轉盤帶著隨行夾具轉動時，氣缸的氣管不會打結。

如圖4b所示，隨行夾具主要由定位夾具、氣缸、同步帶機構和直線運動副等幾部分組成。定位夾具起對產品定位的作用；直線運動副由直線軸承和光軸組成，起導向作用；氣缸和直線運動副一起，可組成一個帶導向的往復直線運動；氣缸帶著壓塊往復運動，可實現對電芯的壓緊和松開，對集流片的壓緊和松開。此外，兩個定位夾具通過同步帶機構連接在一起，焊接時通過可離合式摩擦輪驅動兩個定位夾具旋轉，這樣在點焊時，可以焊接多個點，加強焊接牢固程度。

電阻焊機采用天津科華焊接設備有限公司的UN200型號，電阻焊接工位如圖4c所示，電極2位焊針，其材質為紅銅，直徑φ2 mm。焊針共有兩個，兩個焊針距離很近但不接觸，焊接時兩個焊針充當正負電極；集流體與電芯配合位置如圖4d所示，焊接時兩個電極和集流體接觸，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大于其他位置，通電后產生電阻熱使電芯和集流體接觸面熔化，從而達到焊接目的。

圖2 上料組件機構圖

圖3 集流片上料工位機構圖

圖4 隨行夾具機構圖

在電阻焊過程中，決定焊接質量主要由以下幾個因素：電流、通電時間、加壓壓力、電阻頂端直徑。文中所述焊接夾具內，帶動電極2的氣缸缸徑為32 mm，但整體機構設計帶彈性預壓功能，最終電極2的加壓力為彈簧提供，可通過調節(jié)彈簧預緊壓縮量實現調節(jié)加壓力的目的，其中加壓氣缸配備一單獨調壓閥。通過大量工藝驗證，焊接電壓為1.4～1.6 V，電流為18～20 kA，加壓壓力1 kPa，保溫時間為0.4 s為最佳工藝參數，滿足最終焊接生產的質量要求。所述電阻焊設備采用單獨電阻焊接電源，電源可由工控系統控制。

焊接完成后對成品作拉伸試驗，抗拉強度達到40 N，滿足實際產品的批量生產需求。

2.4 焊接工位設計

焊接工位主體機構如圖5所示，主要由焊針、夾塊、氣缸和彈簧等以及對應機加件組成，彈簧套在直線運動副內，氣缸1帶著焊針往復運動對集流片進行焊接。焊接時，氣缸帶著焊針先焊接一點(左右兩個定位夾具一起焊)，焊接完成后氣缸1往上運動，焊針和集流片脫離，此后氣缸2開始往前運動，帶著離合機構往前，此時摩擦輪和隨行夾具的摩擦輪接觸，伺服電機將運動傳遞，然后兩個隨行夾具旋轉一定角度，氣缸1往下運動焊接另外的點，依此類推。焊接完成后，通過成品下料機構完成下料，下料機構與電芯上料機構類似。

2.5 預折彎工位與折彎工位設計

焊接完成后，需對集流片進行折彎處理，折彎分兩步：預折彎和折彎。預折彎為初步折彎，為后面的折彎工位做準備。

預折彎工位和折彎工位機構類似。如圖6所示，機構主要由3個氣缸、1個折彎片以及對應機加件組成，當轉盤帶著隨行夾具運動到預折彎工位時，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帶著折彎片向上運動，三個氣缸按照此順序動作，最終完成對集流片的預折彎。

圖5 焊接工位機構圖

圖6 預折彎工位機構圖

3 結 論

(1)采用高精度DD馬達驅動6工位轉盤，每個工位配備對應的隨行夾具，單獨完成電芯上料、集流片上料、焊接、預折彎、折彎和成品下料工序，實現生產效率最大化。

(2)整套設備實現自動化生產，無需人工操作，只需人工對物料及設備進行管理，節(jié)約了人力成本。

(3)該系統的生產節(jié)拍按照6個工位中最長的時間即焊接時間計算，其他工位為獨立運行，加工時間不累計。極大提高了生產產能，滿足生產廠家要求。

[1] 徐 蒙，張足茜，賈力氣，等. 圓柱型鋰離子動力電池放電過程電化學與傳熱特性研究[J]. 中國電機工程學報，2013，33(32): 54-61.

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

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

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

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

[6] 周向陽，劉 瑛，張 旗. 叉車滑架模塊式快速焊接夾具設計[J]. 電焊機，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，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焊接[J]. 電源技術，2005，29(2): 80-81.

2016-06-21

TG454

孫雷明，1980年出生，碩士，講師。主要研究方向為自動控制技術。