圆柱电池集流片电阻焊接系统设计

孙雷明 武漫漫

(河南职业技术学院 电气工程系，郑州 450046)

圆柱电池集流片电阻焊接系统设计

孙雷明 武漫漫

(河南职业技术学院 电气工程系，郑州 450046)

针对圆柱电池电芯与集流片的电阻点焊，设计了6工位焊接系统，分别为电芯上料工位、集流片上料工位、焊接工位、预折弯工位、折弯工位和成品下料工位。每个工位可同时运行，提高了生产效率。整个系统实现自动上下料，自动焊接，且完成焊接后对集流片自动折弯处理，提高了系统的自动化程度，节约了人力成本。

集流片 电阻焊 6工位 自动化

0 序 言

锂离子电池因其高能量密度，高功率输出等优势，得到了广泛发展[1-3]。集流片一般分为正极和负极集流片，根据电池的制造工艺，需要将电池基体(常称作电池电芯)与集流片通过焊接连接在一起，起到对外输出电压的接口。

目前电池芯与集流体的焊接采用电阻焊的方式，相对于超声波焊接或者激光焊，电阻焊的投入成本较低，对工件的加工精度要求不高[4-5]。电池生产厂一般采用人工操作或者简单的机械配合人工操作，效率比较低，已经不能满足锂电池日益增长的市场需求。提高设备的自动化程度，减少人工操作，是锂离子电池生产企业进行技术升级的必由之路。但是自动化产线设计复杂且一次性投入成本较高，一般企业无法承担。需要结合产品的特点及加工工艺需求，对自动化生产线进行优化流程设计，尽量节约投入成本，同时提高生产效率[6-8]。

文中结合锂电池的生产工艺流程，设计了一整自动化系统，同时完成了电池电芯与集流片的焊接及集流片的折弯工序。

1 焊接产品需求及总体结构

1.1 产品需求

待焊产品分为两部分：圆柱电池(后面简称为电芯)和集流片。需将集流片和电芯焊接在一起，焊接完成后对集流片进行折弯，电芯壳体材质为铝，电芯直径为22 mm，长32 mm，集流片为冲压件。集流片材质为镍，厚度0.3 mm。

1.2 焊接设备总体结构

为保证焊接产能，采用全自动上料和下料。设备运行时，先将集流片和电芯焊接在一起，焊接完成后对集流片进行折弯处理，完成后自动下料，设备各个环节均有物料检测传感器，若设备处于无料状态，则其停止运行并报警。设备主要由上料组件、夹具组件、下料组件和操控组件等几部分组成如图1所示。

图1 设备总体机构图

2 6工位系统设计

6工位系统结构为转盘形式，6个工位含有6套随行夹具。每套随行夹具均为气动夹紧，可保证夹紧力稳定，动作顺序逻辑性和运行稳定性。6个工位组件分别为：电芯上料工位(上料方式为皮带运输，机械手抓取的方式)、集流片上料工位、焊接工位、预折弯工位、折弯工位和成品下料工位(同电芯上料工位)。其中电芯上料工位和集流片上料方式为半自动方式，设备运行时，人工将一定批量的集流片放入出料机构内，通过机构配合，可实现逐个上料，大大提升设备生产效率；焊接方法为电阻焊，采用焊针点焊；预折弯工位为辅助工位，为折弯工位做准备，该工位可将集流片进行整形；折弯工位为一气动组合机构，可实现集流片的最终折弯；下料工位同电芯上料工位类似。整个夹具组件机构紧凑，各工位分工协作，可实现设备的高效运行。

2.1 上料组件设计

电芯上料组件为全自动机构，主要由皮带、电机、传感器、动械手和对应机加件组成。皮带起输送作用；电机驱动皮带旋转，为动力机构；传感器起三个检测作用:①为有料检测，若一定时间内传感器没有检测到信号(即没有物料)，则判断为上料组件处于缺料状态(此时设备报警);②为保证夹具组件在上料过程中能上到物料(上料过程由机械手抓取，若传感器没检测到信号，则机械手不动作);③为起到计数作用，每上一个物料，则数量都反馈在PLC触摸屏上，方便统计产量；机械手起抓取作用，将传送带上的物料抓取放入随行夹具内，上料组件如图2a所示。

机械手主要由举升气缸、摆缸和两个气爪组成，如图2b所示。抓取物料时，各气缸运动步骤为：气爪松开→举升气缸伸出→摆缸旋转90°→举升气缸缩回→气爪夹紧(此时抓取电芯)→举升气缸伸出→摆缸复位(旋转90°)→举升气缸缩回→气爪松开。此后依次循环，重复以上的动作。

2.2 集流片上料工位设计

如图3a所示，集流片上料工位的机构主要由左上料工位和右上料工位两部分组成，左右两个上料工位结构呈镜像关系，文中选取一方(右上料工位)进行详细描述。右上料工位由储料机构、同步带机构等组成。设备开始生产时，将集流片放入储料机构的导料杆内，因为集流片为中空结构，故导料杆能将集流片固定住，右上料工位的集流片储料机构为两工位机构，局部放大图如图3b所示。每个工位能储料300件，故右工位能储料600件，整个集流片上料工位可储料1 200件，一次性上料1 200件可大大减少上料时间，增加设备产能和效率。集流片上料由旋转压紧气缸和真空吸盘一起完成，同步带机构带动活动托盘，当真空吸盘吸走一个集流片时，伺服电机驱动同步带带着活动托盘往上运动一个集流片厚度的距离，依此循环。吸盘为仿形设计，中间有避位空，方便焊针出入，仿形结构可增大真空吸附面积。

2.3 随行夹具设计

随行夹具置于转盘上，转盘共有6个随行夹具，随行夹具为气动夹具，均布在转盘上，如图4a所示。转盘由高精度DD马达驱动，DD马达为外圈转动形式，中心轴部分固定，可在中心部分放置多回路高速气动旋转接头，这样转盘带着随行夹具转动时，气缸的气管不会打结。

如图4b所示，随行夹具主要由定位夹具、气缸、同步带机构和直线运动副等几部分组成。定位夹具起对产品定位的作用；直线运动副由直线轴承和光轴组成，起导向作用；气缸和直线运动副一起，可组成一个带导向的往复直线运动；气缸带着压块往复运动，可实现对电芯的压紧和松开，对集流片的压紧和松开。此外，两个定位夹具通过同步带机构连接在一起，焊接时通过可离合式摩擦轮驱动两个定位夹具旋转，这样在点焊时，可以焊接多个点，加强焊接牢固程度。

电阻焊机采用天津科华焊接设备有限公司的UN200型号，电阻焊接工位如图4c所示，电极2位焊针，其材质为红铜，直径φ2 mm。焊针共有两个，两个焊针距离很近但不接触，焊接时两个焊针充当正负电极；集流体与电芯配合位置如图4d所示，焊接时两个电极和集流体接触，但只有电极压住的地方才有加压力，此处集流体和电芯接触电阻远大于其他位置，通电后产生电阻热使电芯和集流体接触面熔化，从而达到焊接目的。

图2 上料组件机构图

图3 集流片上料工位机构图

图4 随行夹具机构图

在电阻焊过程中，决定焊接质量主要由以下几个因素：电流、通电时间、加压压力、电阻顶端直径。文中所述焊接夹具内，带动电极2的气缸缸径为32 mm，但整体机构设计带弹性预压功能，最终电极2的加压力为弹簧提供，可通过调节弹簧预紧压缩量实现调节加压力的目的，其中加压气缸配备一单独调压阀。通过大量工艺验证，焊接电压为1.4～1.6 V，电流为18～20 kA，加压压力1 kPa，保温时间为0.4 s为最佳工艺参数，满足最终焊接生产的质量要求。所述电阻焊设备采用单独电阻焊接电源，电源可由工控系统控制。

焊接完成后对成品作拉伸试验，抗拉强度达到40 N，满足实际产品的批量生产需求。

2.4 焊接工位设计

焊接工位主体机构如图5所示，主要由焊针、夹块、气缸和弹簧等以及对应机加件组成，弹簧套在直线运动副内，气缸1带着焊针往复运动对集流片进行焊接。焊接时，气缸带着焊针先焊接一点(左右两个定位夹具一起焊)，焊接完成后气缸1往上运动，焊针和集流片脱离，此后气缸2开始往前运动，带着离合机构往前，此时摩擦轮和随行夹具的摩擦轮接触，伺服电机将运动传递，然后两个随行夹具旋转一定角度，气缸1往下运动焊接另外的点，依此类推。焊接完成后，通过成品下料机构完成下料，下料机构与电芯上料机构类似。

2.5 预折弯工位与折弯工位设计

焊接完成后，需对集流片进行折弯处理，折弯分两步：预折弯和折弯。预折弯为初步折弯，为后面的折弯工位做准备。

预折弯工位和折弯工位机构类似。如图6所示，机构主要由3个气缸、1个折弯片以及对应机加件组成，当转盘带着随行夹具运动到预折弯工位时，气缸3先下压，将电芯和集流片固定，此后气缸1伸出，然后气缸2带着折弯片向上运动，三个气缸按照此顺序动作，最终完成对集流片的预折弯。

图5 焊接工位机构图

图6 预折弯工位机构图

3 结 论

(1)采用高精度DD马达驱动6工位转盘，每个工位配备对应的随行夹具，单独完成电芯上料、集流片上料、焊接、预折弯、折弯和成品下料工序，实现生产效率最大化。

(2)整套设备实现自动化生产，无需人工操作，只需人工对物料及设备进行管理，节约了人力成本。

(3)该系统的生产节拍按照6个工位中最长的时间即焊接时间计算，其他工位为独立运行，加工时间不累计。极大提高了生产产能，满足生产厂家要求。

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2016-06-21

TG454

孙雷明，1980年出生，硕士，讲师。主要研究方向为自动控制技术。