明心健，夏琴香※，劉秀娟，曹海霞

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)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(diǎn)，目前鋰離子電池的應(yīng)用范圍越來越廣[1]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰電池的容量將會(huì)不斷擴(kuò)大?？紤]到新能源汽車逐漸退補(bǔ)的影響，2018年以前動(dòng)力鋰電池增速相對2018年以后更快[2]。此外，隨著鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，使得鋰電市場對鋰電生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)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(yīng)鋰電技術(shù)和鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的變化趨勢[3]。

鋰電池高速自動(dòng)套管機(jī)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(shè)備[4-6]。作為功能完備的自動(dòng)套管設(shè)備，最開始的重要結(jié)構(gòu)是設(shè)備的上料系統(tǒng)。上料系統(tǒng)的作用是自動(dòng)將工件以準(zhǔn)確的數(shù)量、位置和時(shí)間向生產(chǎn)線傳送和定位，是自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，決定著設(shè)備的自動(dòng)化程度和工作效率[7]。鋰電池高速自動(dòng)套管機(jī)的自動(dòng)上料系統(tǒng)主要是通過相應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)將裸露的鋰離子電池從前一道生產(chǎn)工序傳送到鋰電池高速自動(dòng)套管機(jī)的主轉(zhuǎn)盤上，以便在主轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行套膠管、上墊片等工序。

本文作者分析自動(dòng)上料系統(tǒng)的工作原理，并通過SolidWorks三維建模軟件建立自動(dòng)上料系統(tǒng)的三維模型，利用SolidWorks與ADAMS軟件間的數(shù)據(jù)交換接口，在ADAMS軟件中建立自動(dòng)上料系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證自動(dòng)上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 自動(dòng)上料方式分析

一個(gè)好的送料裝置必須對工件進(jìn)行正確的定向和定位，保證工件能順利進(jìn)入裝配系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)具備足夠的儲(chǔ)料空間和送料效率[8]。根據(jù)上料器的運(yùn)動(dòng)特性，可將其劃分為直線往復(fù)式、槽輪式、擺動(dòng)式和升降式等[9]。在滿足機(jī)構(gòu)功能完整的情況下，為使機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，并且節(jié)省空間，該設(shè)備采用直線往復(fù)式的上料方式。為實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)套管機(jī)生產(chǎn)效率加倍的設(shè)計(jì)要求，在自動(dòng)上料系統(tǒng)上引入多工位并行的原理，設(shè)計(jì)自動(dòng)上料系統(tǒng)由上料皮帶機(jī)構(gòu)和上料推塊機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖1所示。上料皮帶機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，將一對立式的裸露鋰離子電池傳送至推塊機(jī)構(gòu)，由推塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行間歇式運(yùn)動(dòng)以完成上料，推塊機(jī)構(gòu)每工作一次完成兩個(gè)裸露電池的上料。

圖1 自動(dòng)上料系統(tǒng)工作原理圖

2 自動(dòng)上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型建立

2.1 上料皮帶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)從上個(gè)鋰電生產(chǎn)設(shè)備完成相應(yīng)工序獲得的裸露鋰電池被輸送到本設(shè)備的上料皮帶上時(shí)，該設(shè)備的上料皮帶機(jī)構(gòu)則將輸送裸電池至上料推塊機(jī)構(gòu)的上料位置，以便上料推塊機(jī)構(gòu)完成上料工序。

該機(jī)構(gòu)主要由上料調(diào)速電機(jī)、上料皮帶、接近開關(guān)、固定座及光電開關(guān)組成，上料皮帶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為節(jié)省設(shè)備的空間，上料皮帶按如圖3所示布置。工作時(shí)，上料調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)上料皮帶運(yùn)動(dòng)，上料皮帶帶動(dòng)裸電池向前運(yùn)動(dòng)，并依次經(jīng)過由接近開關(guān)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(jī)構(gòu)動(dòng)作完成上料。

圖2 上料皮帶機(jī)構(gòu)

2.2 上料推塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)自動(dòng)上料皮帶將裸電池輸送至待上料位置時(shí)，應(yīng)由自動(dòng)上料系統(tǒng)中的自動(dòng)上料推塊機(jī)構(gòu)完成電池的最終上料動(dòng)作，使電池能夠準(zhǔn)確、平穩(wěn)地落于主轉(zhuǎn)盤的電池座上，并由電池座上的強(qiáng)力磁鐵吸住，隨著主轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)輸送至套膠管工序。

圖3 上料皮帶布置示意圖

上料推塊機(jī)構(gòu)主要完成夾持電池、輸送電池兩個(gè)動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用上料推氣缸和上料擋氣缸兩個(gè)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(shí)，先由兩氣缸動(dòng)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(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，完成電池的上料工序，上料推塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 上料推塊機(jī)構(gòu)氣缸夾持部分

2.3 自動(dòng)上料系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

利用SOLIDWORKS軟件繪制上料皮帶機(jī)構(gòu)和上料推塊機(jī)構(gòu)，并裝配得到自動(dòng)上料系統(tǒng)三維模型，獲得自動(dòng)上料系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。自動(dòng)上料皮帶機(jī)構(gòu)和上料推塊機(jī)構(gòu)均由固定座固定于設(shè)備的工作臺(tái)上，各動(dòng)作在設(shè)備控制系統(tǒng)的控制有序、高效穩(wěn)定地進(jìn)行。

圖6 自動(dòng)上料系統(tǒng)三維模型

3 自動(dòng)上料系統(tǒng)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

3.1 自動(dòng)上料系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型的構(gòu)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(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。如圖7所示為自動(dòng)上料系統(tǒng)ADAMS仿真流程，建立簡化后的自動(dòng)上料系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖8所示。

圖7 自動(dòng)上料系統(tǒng)ADAMS仿真流程

根據(jù)仿真流程進(jìn)行約束、運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)等的添加，在進(jìn)行ADAMS軟件仿真的設(shè)置前，需要先確定仿真機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序情況，以便進(jìn)行驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)置。

如圖9所示為自動(dòng)上料系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作時(shí)序圖，按照設(shè)計(jì)要求，整個(gè)高速自動(dòng)套管機(jī)的生產(chǎn)效率需達(dá)到120個(gè)/min，根據(jù)設(shè)備多工序運(yùn)行的設(shè)計(jì)，整個(gè)自動(dòng)上料系統(tǒng)的工作周期為1 s。自動(dòng)上料系統(tǒng)在工作過程中，首先是由上料調(diào)速電機(jī)進(jìn)行間歇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此來帶動(dòng)上料皮帶間歇運(yùn)動(dòng)；當(dāng)皮帶上的電池運(yùn)送至上料區(qū)域時(shí)，上料推氣缸動(dòng)作并與上料擋氣缸夾緊電池；然后由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的擺臂使整個(gè)推塊機(jī)構(gòu)直線動(dòng)作完成上料動(dòng)作。主轉(zhuǎn)盤電機(jī)將動(dòng)力傳輸至分割器上，由分割器控制主轉(zhuǎn)盤的間歇旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，主轉(zhuǎn)盤處分割器的驅(qū)動(dòng)時(shí)間為7/12 s，定位時(shí)間為5/12 s，且主轉(zhuǎn)盤每個(gè)周期內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)18°，當(dāng)推塊機(jī)構(gòu)將電池上料至主轉(zhuǎn)盤的電池座后，由主轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)輸送電池至下一工序處。

圖9 自動(dòng)上料系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作時(shí)序圖

3.2 仿真求解及后處理分析

當(dāng)完成自動(dòng)上料系統(tǒng)裝配、約束及驅(qū)動(dòng)添加和函數(shù)定義等前處理設(shè)置后，利用ADAMS軟件的模型檢查功能進(jìn)行檢查，檢查模型是否正確，以便對模型進(jìn)行修改與完善，完成套管機(jī)虛擬樣機(jī)的建立。進(jìn)入腳本仿真，腳本仿真設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為1 s，步數(shù)為50步，進(jìn)行自動(dòng)上料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行觀察，通過動(dòng)畫發(fā)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)之間的配合運(yùn)動(dòng)合理，且沒有產(chǎn)生干涉，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖10所示，其中實(shí)線曲線表示上料電池與U形推塊間的接觸力隨時(shí)間的變化關(guān)系，虛線表示上料電池與擋塊的接觸力隨時(shí)間的變化關(guān)系。可以看出當(dāng)上料推、擋氣缸夾住電池后運(yùn)行平穩(wěn)，接觸力穩(wěn)定。讀取曲線上的數(shù)據(jù)，可知U形推塊在0.05 s處與電池接觸，并在此時(shí)由于推塊機(jī)構(gòu)機(jī)和U形推塊的作用下使接觸力到達(dá)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(shí)達(dá)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(shí)電池和U形推塊間接觸力為12.49 N，可知兩接觸力數(shù)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(shí)間的變化關(guān)系

如圖11所示為上料電池軸線及電池座軸線隨時(shí)間變化的曲線，利用ADAMS軟件的數(shù)據(jù)處理子工具欄對圖中兩曲線進(jìn)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(shí)間的變化曲線如圖12所示。在推塊機(jī)構(gòu)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(shí)間變化的曲線

圖12 電池軸線與電池座軸線間距離隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

通過引入多工位并行的原理設(shè)計(jì)鋰電池高速自動(dòng)套管機(jī)的自動(dòng)上料系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件建立自動(dòng)上料系統(tǒng)的三維模型，并導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到以下結(jié)論：

（1）對機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行觀察，通過仿真動(dòng)畫可看出機(jī)構(gòu)之間的配合運(yùn)動(dòng)合理，且沒有產(chǎn)生干涉，表明直線往復(fù)式的上料方式以及自動(dòng)上料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（2）當(dāng)兩氣缸均與上料電池接觸時(shí)，兩接觸力數(shù)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(gè)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。