鞠家全，王由偉，張軍，鄭天池，邱自學(xué)

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

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便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)

鞠家全，王由偉，張軍，鄭天池，邱自學(xué)

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器由R形鎳片、溫度保險(xiǎn)絲、L形鎳片組成；其生產(chǎn)工序包括溫度保險(xiǎn)絲上料、L形鎳片上料、R形鎳片上料、點(diǎn)焊等。針對(duì)以上工序設(shè)計(jì)了一條便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線集合了電池保護(hù)器生產(chǎn)的多個(gè)工序，采用可編程控制器(PLC)作為單個(gè)子機(jī)控制核心，各個(gè)子機(jī)系統(tǒng)采用PC Link網(wǎng)絡(luò)相互通訊，結(jié)合各個(gè)子機(jī)的觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)子機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。該生產(chǎn)線可有效的提高電池保護(hù)器生產(chǎn)制造的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本。

電池保護(hù)器；自動(dòng)化生產(chǎn)線；控制系統(tǒng)；PLC

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著社會(huì)信息化的不斷的深入，人們的生活水平不斷的提高及便攜式計(jì)算機(jī)的價(jià)格持續(xù)降低，便攜式計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了越來越多人的私有物品[1]。電池保護(hù)器作為便攜式計(jì)算機(jī)鋰電池的保護(hù)裝置，安裝于鋰二次電池內(nèi)部，保護(hù)鋰電池及計(jì)算機(jī)的安全。目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)多采用人工或半自動(dòng)化的方式生產(chǎn)加工電池保護(hù)器，且存在以下不足：①人工對(duì)電池保護(hù)器各個(gè)部件擺放，擺放位置不精確；②電池保護(hù)器各部分零件較小，人工操作易產(chǎn)生視覺疲勞；③治具需多次搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，效率低。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一條便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線。

在國(guó)外，像蘋果、三星等從事便攜式計(jì)算機(jī)開發(fā)的制造商，很少制造便攜式計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)件或者只制造少量相對(duì)關(guān)鍵的零部件。這些制造商基本上不生產(chǎn)便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器，所以在國(guó)外很少有生產(chǎn)電池保護(hù)器的制造商，研發(fā)電池保護(hù)器設(shè)備的制造商就更少。在國(guó)內(nèi)，電池保護(hù)器半自動(dòng)化生產(chǎn)線是生產(chǎn)電池保護(hù)器的主流方式，雖然開發(fā)電池保護(hù)器設(shè)備的公司比較多，涉及的產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域大部分為自動(dòng)上料設(shè)備、自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備、雙鎳片自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備或者同時(shí)開發(fā)多種設(shè)備，但研究開發(fā)電池保護(hù)器整條生產(chǎn)線及研究其生產(chǎn)工藝的企業(yè)很少。

本文中根據(jù)電池保護(hù)器的生產(chǎn)工藝，對(duì)比企業(yè)通常采用的集中式布局和線性布局方案，綜合比較兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，設(shè)計(jì)了可拆卸式集中布局的電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線?？刹鹦妒郊胁季衷O(shè)計(jì)的生產(chǎn)線可提高自動(dòng)化水平，空間占用小，生產(chǎn)效率高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)為以后升級(jí)自動(dòng)化生產(chǎn)線或者更改生產(chǎn)工藝帶來了便利。

1 便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案

1.1 電池保護(hù)器的介紹

一個(gè)完整的便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器由L形鎳片，溫度保險(xiǎn)絲，R形鎳片，麥拉片四個(gè)部分組成，具有體積小，質(zhì)量輕，生產(chǎn)加工工序多等特點(diǎn)。圖1所示為電池保護(hù)器實(shí)物圖；圖2所示為電池保護(hù)器貼麥拉片示意圖。

圖1 電池保護(hù)器

1.R形鎳片 2.溫度保險(xiǎn)絲 3.L形鎳片 4.麥拉片

1.2 便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器生產(chǎn)流程

計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)工序包括：溫度保險(xiǎn)絲上料，L形鎳片自動(dòng)上料，R形鎳片自動(dòng)上料，點(diǎn)焊，雙鎳片檢測(cè)，內(nèi)電阻檢測(cè)，從治具中取出電池保護(hù)器，貼麥拉片，落料。實(shí)際生產(chǎn)中為適應(yīng)其自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)其生產(chǎn)工序做了調(diào)整，具體生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)流程

1.3 便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案介紹

根據(jù)電池保護(hù)器生產(chǎn)工序，初步設(shè)計(jì)出兩套子機(jī)布局方案，其中方案一：線型布局設(shè)計(jì)，即在線性傳送帶的兩側(cè)分別放置電池保護(hù)器各個(gè)加工工序子機(jī)，傳送帶將治具依次運(yùn)送至各個(gè)子機(jī)對(duì)應(yīng)的加工位置，各個(gè)子機(jī)再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能，從而實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器的加工；方案二：集中式布局設(shè)計(jì)，即將各個(gè)加工工序集中于一臺(tái)機(jī)器上，通過治具循環(huán)裝置傳送加工件，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器的加工。比較兩種方案，有以下缺點(diǎn)，方案一：線型布局設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)線較長(zhǎng)，占用空間較大；方案二：集中式布局設(shè)計(jì)，雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，但是不利于以后自動(dòng)化生產(chǎn)線的升級(jí)及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)。

綜合考慮空間布局及生產(chǎn)工藝要求，結(jié)合方案一和方案二優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可拆卸式集中布局方案，即各個(gè)加工工藝子機(jī)與治具循環(huán)裝置配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)既定的功能。這樣的設(shè)計(jì)減小了設(shè)備占用空間，且在以后產(chǎn)品升級(jí)換代中，無需更換整條生產(chǎn)線設(shè)備，減少了設(shè)備升級(jí)換代成本。具體設(shè)計(jì)布局方案如圖4所示。

1.溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī) 2.L形鎳片自動(dòng)上料機(jī) 3.R形鎳片自動(dòng)上料機(jī) 4.點(diǎn)焊裝置 5.電阻測(cè)試裝置 6.雙鎳片檢測(cè)裝置 7.治具自動(dòng)循環(huán)裝置 8.治具 9.不合格品落料裝置 10.雙面自動(dòng)貼合機(jī)

圖4 可拆卸式集中布局方案

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，電池保護(hù)器生產(chǎn)線循環(huán)動(dòng)作流程如圖5所示：第一工位溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)將保險(xiǎn)絲運(yùn)送到治具循環(huán)裝置的治具中；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第二工位，L形鎳片自動(dòng)上料機(jī)將L形鎳片輸送到治具循環(huán)裝置上的治具里；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第三工位，R形鎳片自動(dòng)上料機(jī)將R形鎳片輸送到治具循環(huán)裝置上的治具里；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第四工位，點(diǎn)焊裝置分別對(duì)溫度保險(xiǎn)絲與R形鎳片的接觸點(diǎn)及溫度保險(xiǎn)絲與L形鎳片的接觸點(diǎn)點(diǎn)焊；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第五工位，雙鎳片檢測(cè)裝置檢測(cè)焊接好的電池保護(hù)器是否有雙鎳片重合；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第六工位，內(nèi)電阻檢測(cè)裝置檢測(cè)電池保護(hù)器內(nèi)電阻是否符合標(biāo)準(zhǔn)；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第七工位，取廢料裝置將不符合標(biāo)準(zhǔn)的電池保護(hù)器從生產(chǎn)線上取出并放入廢料盒中；治具循環(huán)裝置旋轉(zhuǎn)到第八工位，雙面麥拉片自動(dòng)貼合機(jī)對(duì)電池保護(hù)器雙面貼麥拉片并將其放入成品盒中。

圖5 可拆卸式集中布局方案循環(huán)動(dòng)作流程圖

2 便攜式計(jì)算機(jī)電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化生產(chǎn)線各子機(jī)采用獨(dú)立的可編程控制器(PLC)控制各自功能，各個(gè)子機(jī)間通訊采用PC Link網(wǎng)絡(luò)相互通訊；采用氣動(dòng)元件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；運(yùn)用激光傳感器檢測(cè)鎳片有無；各個(gè)子機(jī)有獨(dú)立的觸摸屏，可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)子機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。選擇歐姆龍公司的CP1H系列PLC，型號(hào)為CP1H-X40DR-A，其具有輸入點(diǎn)24個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)，滿足各個(gè)子機(jī)的需求。根據(jù)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)及工作特點(diǎn)要求，選擇操作方便，支持多種語言字符并且能夠適應(yīng)生產(chǎn)線工作環(huán)境的觸摸屏。設(shè)計(jì)選用MT8070iE人機(jī)界面，它通過RS232串口和CPU進(jìn)行通訊。性能穩(wěn)定，操作方便。電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

整條生產(chǎn)線有五個(gè)可編程控制器(PLC)，即溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)、L形鎳片自動(dòng)上料機(jī)、R形鎳片自動(dòng)上料機(jī)、電池保護(hù)器雙面自動(dòng)貼合機(jī)、治具循環(huán)裝置，并且將治具循環(huán)裝置的PLC設(shè)置為主站，其他子機(jī)的PLC設(shè)置為從站。5個(gè)PLC之間通過RS422/485相連，整個(gè)控制系統(tǒng)采用PC Link網(wǎng)絡(luò)通信。將安裝好組態(tài)王軟件的工業(yè)計(jì)算機(jī)串口與治具循環(huán)裝置PLC的編程接口聯(lián)接，使用組態(tài)王軟件開發(fā)自動(dòng)化生產(chǎn)線的監(jiān)控界面。其中PC Link網(wǎng)絡(luò)主站/從站設(shè)定如圖7所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

(a)主站設(shè)定

(b)從站設(shè)定

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在了解各個(gè)子機(jī)工作原理、PLC選型及I/O地址分配表的前提下，編寫控制程序及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。因篇幅有限，現(xiàn)以溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)為例做介紹，實(shí)物圖如圖8所示。其他子機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本相似，不做具體敘述。

溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)的觸摸屏控制界面主要包括：初始化、自動(dòng)模式、手動(dòng)模式。程序流程如圖9所示。

初始化程序：開機(jī)后，如果四自由度機(jī)械手的手臂不在初始狀態(tài)，選擇初始化程序，初始化程序會(huì)自動(dòng)將機(jī)械手臂移至初始位置。

自動(dòng)模式：自動(dòng)上料，即將直線上料器上的溫度保險(xiǎn)絲全部逐個(gè)地輸送到點(diǎn)焊治具上。上料前首

先進(jìn)行初始化，然后將溫度保險(xiǎn)絲逐個(gè)地送到點(diǎn)焊治具上。

手動(dòng)模式：使溫度保險(xiǎn)絲上料機(jī)上的振動(dòng)盤、直線送料器、四自由度機(jī)械手以及真空吸嘴能夠獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。

在上述的三種模式當(dāng)中，自動(dòng)模式必須參考溫度保險(xiǎn)絲特征參數(shù)進(jìn)行，即需實(shí)時(shí)釆集溫度保險(xiǎn)絲圖像，提取其特征參數(shù)，進(jìn)行判斷溫度保險(xiǎn)絲形態(tài)是否正確。

圖8 溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)實(shí)物圖

圖9 程序流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的可拆卸式集中布局的電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線現(xiàn)已在蘇州某企業(yè)中應(yīng)用，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，已得到企業(yè)的認(rèn)可與肯定。

(1) 設(shè)計(jì)的電池保護(hù)器自動(dòng)化生產(chǎn)線在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性的前提下，將原有的由人工完成上料、點(diǎn)焊、貼麥拉片、取料以及其他一系列工作交由多個(gè)四自由度機(jī)械手與其他輔助裝置組成的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)完成，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

(2) 與傳統(tǒng)的線性布局設(shè)計(jì)和集中式布局設(shè)計(jì)相比，可拆卸式集中布局設(shè)計(jì)不僅滿足生產(chǎn)工藝的需求，縮減產(chǎn)線長(zhǎng)度，減少空間占用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，而且便于以后產(chǎn)品加工工藝的改變及設(shè)備的升級(jí)。

(3) 本文中雖然對(duì)電池保護(hù)器生產(chǎn)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究并提高了生產(chǎn)效率，但是目前生產(chǎn)線是由多個(gè)子機(jī)組合而成，各個(gè)子機(jī)控制由單獨(dú)的PLC控制，各道工序間的協(xié)調(diào)動(dòng)作任然需要進(jìn)一步優(yōu)化，如果能開發(fā)多功能一體機(jī)，集各工序的控制、檢測(cè)、視覺等功能為一體，實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、精密化、智能化，這將進(jìn)一步提高生產(chǎn)線的動(dòng)作協(xié)調(diào)性能和生產(chǎn)效率，縮減生產(chǎn)成本，這將作為以后的一個(gè)研究方向。

[1] 苗中華，陸鳴超，胡曉東，等.基于虛擬儀器技術(shù)的采棉機(jī)智能系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，30(23)：35-42.

[2] 王時(shí)軍.歐姆龍PLC[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 金俊，邵宗良.基于便攜機(jī)的鋰離子蓄電池充電器的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2006，30(8)：672-676.

[4] 劉武光.基于MAX1666的Li+電池保護(hù)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27(8)：78-80.

[5] 許勇.組態(tài)王使用手冊(cè)[Z].北京:北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司,2001.

[6] 劉其洪，郭建.腳輪支架沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2014(7)：87-90.

[7] 蘇江.直線式振動(dòng)送料器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012(7):178-180.

[8] 王起.論P(yáng)LC、單片機(jī)、工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用及選用方法[J].廣西輕工業(yè)，2011(1)：60-61.

[9] 雷新利，趙忠.基于PLC和觸摸屏的灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子，2007(9)：78-80.

[10] 王由偉，邱自學(xué)，王國(guó)偉.基于PLC的溫度保險(xiǎn)絲自動(dòng)上料機(jī)的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015(4)：115-118.

[11] 李恩龍.便攜式計(jì)算機(jī)市場(chǎng)基本信息研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013(5)：88-89.

[12] 崔剛，許掐生，耿蘭風(fēng).基于PC-Link的PLC控制[J]. 自動(dòng)化與儀表，2005,20(2)：57-59.

(編輯 李秀敏)

Research and Design of Automatic Production Line for Portable Computer Battery Protector

JU Jia-quan, WANG You-wei, ZHANG Jun, ZHENG Tian-chi, QIU Zi-xue

(School of Mechanical Engineering , Nantong University , Nantong Jiangsu 226019 , China)

Portable computer battery protector consists of R-shaped nickel piece, temperature fuse and L-shaped nickel piece; The production process includes temperature fuse feeding, L-shaped nickel piece feeding, R-shaped nickel piece feeding, spot welding, etc. In view of the above process to design a portable computer battery protector automation production line.This production line has multiple processes of battery protector production and use programmable controller (PLC) as control core of a single machine, each machine system adopts PC Link network to communicate each other, each pair of touch screen can monitoring machine and the whole system. The line can effective improve the automation level of the battery protector manufacturing and production efficiency, guarantee the quality of production and reduce the labor intensity and production cost.

battery protector; automatic production line; laminating machine; PLC

1001-2265(2016)11-0130-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.035

2015-12-27；

2016-01-26

南通市重大科技創(chuàng)新專項(xiàng)(XA2014011)；南通大學(xué)研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(YCK15007)

鞠家全(1990—)，男，江蘇淮安人，南通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電裝備及測(cè)控技術(shù)，(E-mail) 1183559116@qq.com；通訊作者：邱自學(xué)(1963—)，男，江蘇南通人，南通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電裝備及測(cè)控技術(shù)，智能結(jié)構(gòu)及其健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，(E-mail)nqiuzx@163.com。

TH237;TG65

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