劉川瑞楊學軍曾鵬飛郝永平周 超李 鑫

(1.沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159；2.遼寧省先進制造技術(shù)與裝備重點實驗室，沈陽 110159；3.山西江陽興安民爆器材有限公司，太原 030041)

熱電池是一種不可逆的化學能源[1]，具有激活速度快、輸出功率高、儲存壽命長和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點[2-3]，廣泛應(yīng)用于智能彈藥、炸彈、導彈等領(lǐng)域[4]。 如何提升熱電池裝配效率一直是各國研究的重點。 美國的Arbin 和Maccor 公司、日本的Nec 公司、加拿大海霸公司等各大電池生產(chǎn)企業(yè)都在熱電池自動化裝配領(lǐng)域有所研究。 Guidotti 等[5]采用等離子噴涂法成功制備了薄尺寸的CoS2正極片，通過優(yōu)化熱電池結(jié)構(gòu)提升其裝配效率。 Winchester Interconnect Hermetics 公司的研究人員申請了“熱電池裝配以及相關(guān)方法”的專利[6]。 重慶師范大學2018 年研究設(shè)計了一套熱電池智能輔助裝配系統(tǒng)[7]。

目前，國內(nèi)熱電池的裝配大多數(shù)仍采用人工操作，配合簡易的機構(gòu)進行定位、夾緊、限位等。熱電池裝配效率低、失誤率高、對人體損害大。 本文將針對熱電池自動化裝配生產(chǎn)的實際需求，以熱電池中的“6 號電池”作為裝配對象，設(shè)計熱電池云母片包裹系統(tǒng)。

1 熱電池云母片裝配工藝

熱電池裝配工藝主要包括電堆疊片、引燃條及人造云母片裝配、保溫棉纏繞、電池蓋及外殼裝配四個部分。 云母片裝配的關(guān)鍵問題是如何在膠帶與電堆表面不直接接觸的情況下，將云母片包裹在電堆表面，并保證夾在云母片和電堆之間的引燃條位置準確。

云母片裝配工藝流程如圖1 所示。 首先電堆完成疊片，此時引線與電池端面平行，如圖1(a)所示；然后將引線彎折至與電堆軸線平行，如圖1(b)所示；最后將云母圍子包裹在電堆表面并通過噴膠進行封口，完成裝配后的熱電池模型如圖1(c)所示。

圖1 云母片裝配工藝

2 云母片包裹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)熱電池云母片裝配工藝流程設(shè)計了云母片包裹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 云母片包裹系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

云母片包裹機構(gòu)分三個部分，分別為引線彎折機構(gòu)、云母片裝配機構(gòu)和電堆輸送機構(gòu)。

2.1 引線彎折機構(gòu)

引線彎折機構(gòu)采用氣缸帶動包裹手對電堆進行壓緊，包裹手上的凹槽正對電堆引線位置，在壓緊的同時對引線完成第一次彎折(彎折角度約70°)，如圖3(a)所示。完成一次彎折后由電機帶動轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤上的包裹手，以電堆軸線為中心進行一次往復回轉(zhuǎn)，完成第二次引線彎折，如圖3(b)所示。 從而使兩條引線與電堆軸線平行，完成裝配，引線彎折工作原理如圖3(c)所示。

圖3 引線彎折過程及工作原理

2.2 云母片裝配機構(gòu)

云母片裝配機構(gòu)包括云母片供料機構(gòu)和吸附包裹機構(gòu)兩部分。

2.2.1云母片供料機構(gòu)

供料機構(gòu)采用摩擦輪的方式進行單片供料，并通過供料導向和自身重力作用運送到上料裝配位置，如圖4 所示。

圖4 云母片供料機構(gòu)

為實現(xiàn)云母片單片供料，在裝配位置添加光電傳感器，對供料電機停、轉(zhuǎn)進行控制。 當裝配位置感應(yīng)到云母片遮擋，傳感器斷電，供料電機停轉(zhuǎn)，停止供料。 在完成一次裝配循環(huán)后，傳感器重新供電繼續(xù)供料。

2.2.2吸附包裹機構(gòu)

吸附包裹機構(gòu)由氣缸帶動的包裹手構(gòu)成，如圖5 所示。 四個包裹手以電堆軸線為中心環(huán)繞布置，通過不同時序進給，將云母片壓緊貼合在電堆表面。

1)吸附包裹結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸附包裹結(jié)構(gòu)主要由包裹手和吸附包裹手構(gòu)成，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6 所示。

吸附包裹手由氣缸帶動進行包裹，氣缸每次進給的行程固定。 為滿足不同尺寸的熱電池裝配，將吸附包裹手部分設(shè)計為可拆卸結(jié)構(gòu)，包裹位置通過螺紋連接在吸附氣缸上，吸附氣缸底部添加彈簧，氣缸行程固定，在進給時先將云母片貼合在電堆表面，之后壓縮彈簧對云母片進行壓緊。

為使云母片與電堆表面更加貼合，在保證電堆不發(fā)生偏移的前提下，盡可能加大包裹手的壓緊力。 本文通過對云母片包裹處施加不同壓力，測量噴膠粘合處粘合長度，判斷云母片是否裝配牢靠。 云母片包裹壓力實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 云母片包裹壓力實驗結(jié)果

由表1 可知，滿足裝配要求的壓力為1.2 N。為保證云母片裝配牢靠，包裹手在電堆表面施加的壓力F1實際取1.5 N，包裹手底部的彈簧彈力均應(yīng)小于F1。 選用線徑為0.8 mm、中心直徑為15.2 mm、有效圈數(shù)為20 的鋼材質(zhì)彈簧，彈簧彈性系數(shù)k為[8]

式中:G為剪切彈性模量， MPa (鋼絲G＝8 000 MPa)；d為線徑，mm；n為有效圈數(shù)；D2為中心直徑，mm。

由式(1)計算得到k＝0.089 N/mm。彈簧壓縮量λ計算式為

由式(2)計算得到λ＝16. 85 mm，取整為20 mm，其中預緊壓縮量為5 mm，裝配壓縮量為15 mm。

施加在電堆疊片各表面之間的正壓力N1計算式為

式中μ為靜摩擦系數(shù)，取0.15。氣缸的實際輸出力F實≥N1，故取F實＝10N。氣缸理論輸出力F理與氣缸負載率β的關(guān)系為

式中:D為氣缸內(nèi)徑，mm；P為工作壓強，MPa；β為阻性負載，取85%[9]。

經(jīng)計算，F(xiàn)理＝11.76 N，故氣缸的工作壓力應(yīng)大于11.76 N，考慮氣缸所需行程，確定下壓氣缸型號，氣缸參數(shù)如表2 所示。

表2 下壓氣缸參數(shù)

2)包裹機構(gòu)動力學分析與仿真

對包裹機構(gòu)進行動力學分析，重點分析包裹手的速度及加速度，確定包裹手對電堆包裹時是否會對電堆產(chǎn)生沖擊。 進行動力學分析前，先對機構(gòu)運動進行簡化，建立如圖7 所示的廣義坐標系[10]。 將包裹機構(gòu)簡化為質(zhì)點M，包裹手底部有彈簧，由于導向桿和銅套之間屬于過盈配合，會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的阻尼[11]，故包裹機構(gòu)運動可以簡化為單自由度有阻尼的自由振動。

圖7 簡化運動模型

以質(zhì)心M為原點建立廣義坐標系，取M的位移x為廣義坐標，建立振動微分方程為

式中:m為包裹機構(gòu)質(zhì)量，kg；x為M的位移，mm；c為阻尼系數(shù)，N·s/mm。

振動系統(tǒng)的通解形式為

式中:A為振幅；ωd為自由振動的圓頻率。 取初始狀態(tài)t＝0 時的得出振動方程初始振幅A1及相位α為

由此，包裹手的位移函數(shù)為

式中:t為機構(gòu)運動時間，s；F0為包裹機構(gòu)在裝配過程中的受力，N；F實為氣缸實際施加在包裹機構(gòu)上的壓力，N；f為包裹機構(gòu)過盈配合所產(chǎn)生的摩擦力，N。

綜上可知，包裹手在運動過程中的振動圖像為一個逐步衰減的正弦函數(shù)，其位移函數(shù)分為兩部分:沿氣缸進給方向的主運動函數(shù)；系統(tǒng)自身的振動函數(shù)。 將位移對時間二次求導得到加速度。

應(yīng)用Adams 軟件對包裹機構(gòu)進行動力學分析[12]，將包裹機構(gòu)簡化為如圖8 所示的模型。 由于2、3、4 號包裹手結(jié)構(gòu)、動作相同，為提高計算效率，針對3 號包裹手進行仿真分析。 選定包裹機構(gòu)材質(zhì)為鋁，添加驅(qū)動力，輸入底座彈簧參數(shù)和碰撞參數(shù)，得到包裹機構(gòu)的加速度-時間曲線。 包裹手加速度-時間曲線如圖9(a)所示，吸附手加速度-時間曲線如圖9(b)所示。

圖8 簡化分析模型

圖9 運動仿真結(jié)果

2.3 電堆輸送機構(gòu)設(shè)計與仿真

2.3.1電堆輸送機構(gòu)

電堆在完成云母片裝配前為散片，在運輸過程中需保證其不發(fā)生散落以滿足裝配要求。 電堆輸送機構(gòu)如圖10 所示。

圖10 電堆輸送機構(gòu)

電堆輸送機構(gòu)由傳送帶和電堆底座構(gòu)成。 底座固定在傳送帶中間位置，由傳送帶運送至各個工位，在運送過程中底座處于閉合狀態(tài)，如圖10(a)所示。 為防止疊片散落，底座在工位上準確定位后，工位上的下壓氣缸進給，將底座打開，然后進行裝配，如圖10(b)所示。 底座設(shè)計為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，可將其固定在傳送帶上。

2.3.2電堆底座靜力學仿真與分析

由表2 中選用的下壓氣缸工作壓力為20 N，表明施加在電堆上的載荷為20 N，底座所承受的載荷同為20 N。 通過SolidWorks Simulation 軟件進行靜力學分析[13]。

設(shè)置底座材料為退火不銹鋼，將底座與傳送帶相接的表面固定，在承臺的電堆承載面以及承臺與底座的接觸面施加載荷，將下壓氣缸施加在電堆上的載荷20 N 定義為靜力，在機構(gòu)各受力面均以20 N 作為輸入值施加載荷，得到電堆底座靜力分析結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 電堆底座靜力分析結(jié)果

由圖11(a)可以看出，應(yīng)力分布集中在底座支撐上，受載材料的屈服極限為292 MPa，在電堆裝配過程中對底座施加的負載遠小于其屈服極限，其余部位未見較大應(yīng)力，應(yīng)力最大值為1.51 ×105Pa，故該部分的應(yīng)力集中點對底座承載電堆進行裝配無影響；由圖11(b)可知，承臺與電堆接觸表面最大位移為1.316 54 ×10-8m，該位移出現(xiàn)在電堆的軸線方向，且位移量較小，對電堆裝配幾乎不產(chǎn)生影響，故設(shè)計方案可行。

3 結(jié)論

本文針對熱電池云母片裝配系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

首先，按照云母片裝配工藝要求完成了云母片裝配機構(gòu)的總體設(shè)計；其次，分別對云母片裝配機構(gòu)中供料機構(gòu)和吸附包裹機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；最后，對裝配機構(gòu)運動的核心動作，即吸附手的包裹動作進行動力學計算和分析。 通過仿真驗證分析結(jié)果，并對電堆底座進行靜力學仿真與分析，其結(jié)構(gòu)中應(yīng)力峰值遠小于材料屈服極限。 各部分機構(gòu)均滿足裝配需求，云母片包裹系統(tǒng)設(shè)計具有可行性。

該系統(tǒng)在一定程度上不需要人員與工件直接接觸即可完成裝配，滿足了特定型號的熱電池裝配工藝要求，可為熱電池裝配提供參考。