摘要：本文通过对储能锂离子电池的产业化研发，将机器人自动化生产线技术引入到锂离子电池生产线的关键技术环节中，以提高产量，解决因锂离子电池关键工艺对人工操作的依赖而导致生产效率低下的问题，加强生产过程中的质量控制，改善工作条件，具有较大的示范效果和推广使用价值。
关键词：机器人；锂电池；生产线
在锂电池生产线的关键工序中，引入机器人自动化生产线技术，结合设计的气动抓手和工装，成功地实现了锂电池生产线的自动装卸、搬运和堆垛功能。机器人的应用改善了操作人员的工作条件，降低了操作人员的劳动强度，保证了生产安全，提高了劳动生产率和产品一致性，节省了辅助加工时间，降低了电池产品的成本。
一、锂电池优点
锂电池是一类由锂金属或锂合金为正极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使锂金属的加工、保存、使用，对环境要求高。随着科技的发展，当前锂电池已成为主流。
1、能量较高。具有高储存能量密度，已达到460～600Wh/kg，是铅酸电池的约6～7倍。
2、使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C(100%DOD)充放电，有可以使用10,000次的记录。
3、额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V)，约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。
4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂离子电池可达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速。
5、自放电率低，这是最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20。
6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6～1/5。
7、高低温适应性强，可在-20℃～-60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可在-45℃环境下使用。
8、绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
二、机器人在锂电池生产线上的应用
1、机器人选择。遴选的机器人必须考虑到以下因素:①装载能力；②工作场所；③自由度和灵活性；④精度；⑤移动速度和应用领域。本文机器人搬运目标是锂电池，其是一个非重载对象，机器人底座是固定的。因此，类型选择的关键是要求机器人在一个半径内工作，并达到每个设备的加载和卸载位置，本身结构紧凑，并占用尽可能少的空间。一块锂电池软包装的总质量小于1.5千克，考虑到抓手等的质量，使用FANUC模型M-10iA机器人，负载为10g，工作半径为1420毫米，通过对机器人装备臂展的仿真，可充分满足机器人的位置要求。这是机器人直接使用的一种部件，它的功能是模仿人类手的动作，并安装在机器人的前臂上。
2、机器人抓手设计。工业机器人的抓手也被称为终端执行器，是一个由机器人直接使用的部件，用来操作特殊的工具，它的功能是模仿人类手的动作，并安装在机器人的前臂上。由于所选部件的形状、尺寸、质量、材料和表面状况的差异，工业机器人的末端也各不相同，可分为以下几类:①夹钳式取料抓手；②吸附式取料抓手；③专用操作器及转换器；④仿生多指灵巧手。
机器人搬运的锂离子电池是一种软包装产品，在操作过程中易撕裂、破损和变形，在处理过程中可改变提取位置；所以，不应使用吸附结构，更合适的是使用夹钳式结构，主要是为了实现气动夹持抓取，这是准确抓取电池的关键。通常，它需要尽可能的标准化和简化。
机器人抓手原理是：机器人抓取到自动取料位置，夹钳打开，插入料位后夹钳夹住层压板，机器人向后移动，取出层压板，送至其他工作站进行焊接切割，到达料台后，夹具打开。在堆放锂电池时，用FESTO抓取气缸，用爪夹住极耳区，采用叠片法，保证极耳位置的要求。夹持时采用四点接触，极耳焊端部设两点，其余两点沿层压板对称方向布置。采用高灵敏度霍尔传感器检测夹具的开夹状态信号，并反馈给机器人控制器。在所有组件设计完后，使用SolidWorks三维设计软件进行建模和组装，以提高设计效率。
3、工装设计。在设备的自动化改造中，涉及到配套设备。工装设计遵循安全、经济和实践的原则，并考虑到外观和形式等因素。在实施过程中，主要涉及的是:①叠层机叠层后，利用叠层台的定位工装容纳电池，将电池固定在正确的位置，确保电池的互操作性和定位位置的准确性，以方便机器人抓手的夹取，同时，为了保证机器人夹持器的运动空间，不干扰夹持器的抓取动作，叠层平台的定位工装设计如图1所示；②叠片过渡工装，为了便于叠片后电池极耳的焊接，需设计一个过渡工具，接收层压台定位工装夹取的电池，并用夹子将电池旋转90度后重新夹取；③在切割后，物料盒被用来收集电池，机器人必须把它们堆在此位置，然后依次切割。同样，物料盒的设计要求不应影响抓手的动作，如图2所示。
图1叠片台定位工装图2物料盒工装及放料示意图
4、工艺流程设计。在设计生产线工艺流程时，必须考虑以下几点：①保证设备与人员安全，以此来符合生产要求；②设计方案采用模块化设计，生产线具有良好的灵活性；③产品质量满足要求。
系统第一次启动后，机器人初始化，检测是否在原点位置，若不在原点位置，发出警报提醒操作者先执行机器人的归零动作，以避免机器人直接从随机位置移动到层压板位置的碰撞风险。如果机器人在原点，它将移动到叠片台等待叠片完成信号，一旦收到叠片机发送的“叠片完成”信号，立即进入叠片站工装区，用抓手抓取电池，将电池运至叠片过渡工装，发出“取料完成”信号，通知叠片机电池已被取走。
改变电池位置后，极耳焊接位置被清空，机器人将其送至超声波焊接机处，就位后，发出“请求焊接”信号，开始焊接焊机正负极耳。其次，机器人移动到切割机的位置，发出“切割请求”信号，启动切割机进行切割。最后，由机器人将电池运输到物料箱的位置并堆放，如果物料箱中的电池已满，将自动在物料箱上方等待，并通知人员将物料箱取走，料箱清空后，进行堆放作业，抓手放空电池后，开始下一轮操作。往复循环，整个生产过程的节拍是由机器人设计的，可将堆叠好的电池及时取出为一个周期。
三、锂电池的发展趋势
锂电池作为动力电池是其重要的发展趋势，而且我国的锂电池市场已逐渐形成，许多汽车行业将锂电池作为汽车的动力电池，通过锂电池与汽车动力的结合，形成混合动力汽车或电动汽车，促使钾电池广泛应用于汽车动力中。锂电池动力汽车可被称为绿色新能源，能有效提高汽车的节能水平，降低各类化石能源的使用。促使锂电池作为动力电池的汽车能得到广泛的应用，逐渐符合低碳生活和绿色出行的需求，降低汽车尾气排放对大气的污染，从而推动绿色汽车行业的发展和进步。
四、结语
目前，人类面临的能源危机越来越突出，人们逐渐将注意力转向各种新的清洁能源，新能源的快速发展，使储能设备的需求日益突出，而锂电池储能已成为当前研究的热点之一。
参考文献：
[1]陈永方，陈明.浅谈自动化生产线的发展[J].广西轻工业，2015(01):57-61．
[2]赵伟，李响，郭爱华等.工业机器人码垛线的设计[J].制造业自动化，2015(20):117-120．
论文作者:李建宁,徐冲
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/14
标签：机器人论文; 锂电池论文; 电池论文; 抓手论文; 工装论文; 位置论文; 物料论文; 《防护工程》2019年10期论文;