碱性电池高速隔离管制造机的设计与开发

2014-07-01应兴明

机械工程师 2014年5期

关键词：钢壳次品碱性

应兴明

（福建南平南孚电池有限公司，福建南平353000）

碱性电池高速隔离管制造机的设计与开发

应兴明

（福建南平南孚电池有限公司，福建南平353000）

主要介绍了碱性电池组装流水线中隔离管制造机的设计目的、基本原理、设计的各个参数要求，以及使用时注意的各方面要点。通过设备的开发，能够大大提高碱性电池流水线的生产速度，减少设备投入和用工成本，同时提高了设备的安全性，提升了碱性电池流水线组装设备的国产化水平。

电池；隔离纸；卷绕；热缩

0 引言

碱性电池组装工艺中的隔离管是采用特殊的纸张并卷绕成圆柱形状，内部填充锌膏以保持正负极的隔离作用，并要求不能有任何的漏洞和金属杂质。传统的低速碱性电池生产线隔离管插入部分是将已经卷绕好的隔离管插入钢壳中，这样需要专用的卷绕隔离管设备，同时在生产线中由于隔离管的特殊构造限制了设备的生产速度。本文介绍了一种新设备，该设备的设计参考了国外最新技术，采用在线卷绕方式，将隔离纸卷绕成型、底部热缩、插入钢壳等工艺步骤在电池组装生产线上完成，避开了隔离管的输送速度的限制，可以提高电池的生产速度。

1 低速隔离管插入设备的现状分析

目前国内低速（300只/min）碱性电池组装流水线设备中的隔离管插入设备主要工作方式有以下2种：

1）步进式。其工作原理是将隔离管通过振动料斗分成每排10～15道送到插入杆中，然后通过插入杆插入钢壳内，插入的过程是单步的运行过程。

2）连续旋转式。其工作原理是将隔离管通过振动料斗送入转盘内，然后通过插入杆将隔离管插入钢壳内，插入过程是连续运行的过程。

以上2种方式存在如下几个问题：

1）都必须采用振动料斗进行供料，隔离管在振动料斗中必须进行方向筛选，这样在生产过程中隔离管经常会出现不稳定状态，同时料斗的振动速度也影响整体设备的效率。

2）隔离管都必须经过搬运和跑道进行输送，由于隔离管是纸制物品，其中心是空心状态，在搬运过程或跑道输送过程中经常发现隔离管被挤压变形和污染，造成设备故障率上升，从而影响电池的质量。

图1 设计方案

3）需要专门一台隔离管卷绕成型设备，流水生产线只进行隔离管插入这一工艺，这样流水生产线就需要配套的隔离管卷绕成型设备及相应的人员、场地，甚至车间等资源。

2 高速隔离管制造设备的设计方案

如图1所示，本方案设计将整合隔离管卷绕成型设备和隔离管插入设备，使之成为一台高速设备应用于生产线上，隔离纸经过在线剪切、卷绕成型、底部热缩后直接插入钢壳，这几个工艺步骤在一个大转盘内连续运转中完成，同时隔离管不需要经过传输跑道，可以大大提高生产速度。设备的机构组成如下：

1）隔离纸的输送和在线剪切机构。将隔离纸按技术要求裁剪成一定长度，并通过真空吸力固定在转盘上，以备下一道工序进行卷绕。

2）隔离纸的卷绕、底部热缩机构。主要是将裁剪好的隔离纸通过卷绕杆卷绕成圆柱状，然后对底部进行预成型缩口，最后对底部预成型缩口部分进行加热完成全面的封口过程。这一部分是整台设备的重点工艺，底部缩口的状态对电池质量影响是最大的。

3）钢壳输入机构。将钢壳定位于大的旋转转盘上，保持与隔离管同轴状态。

4）隔离管插入及插入杆退回机构。这部分主要是将卷绕和热缩好的隔离管插入钢壳，插入的执行机构主要采用圆柱凸轮，使上杆沿着凸轮做上下运动完成钢壳的插入及插入杆的退出。

5）次品的检测及自动排除机构。本设备集成智能化，就可以在线检测隔离管插入不良、无隔离管等异常，不需要停机就可以在线剔除次品。自动剔除部分主要采用伺服控制系统，通过伺服电机的准确启停时间和高转速来控制击打机构。

6）成品输出机构，本机构主要是将成品钢壳送入下一道工序中。

3 主要机构的设计要点分析

3.1 隔离纸的在线剪切

隔离纸通过压轮4的带动进入切刀5进行裁剪，裁剪后通过真空吸力固定于吸盘中，根据电池技术工艺要求，隔离纸剪切后的长度要求为L，这样在设计压轮的直径上需要精确的计算。如图2所示转盘齿轮Z1分别带动切刀齿轮Z2和压轮齿轮Z3旋转，将隔离纸进行输送和裁剪，设真空吸盘吸附隔离纸个数为n，则有：

图2所示吸盘6的圆柱表面钻有许多小孔并与真空罐连接，经过裁剪后的隔离纸将吸附于吸盘表面上，在设计传动比和吸盘的直径时需要注意隔离纸输送线速度必须小于吸盘旋转的线速度，以保证隔离纸能均匀分布于吸盘中。

图2 隔离纸剪切结构图

3.2 隔离纸的卷绕和热缩成型

如图3所示，隔离纸通过吸盘的输送进入导向模3，导向模3内有卷杆2在做自转运动，隔离纸1一进入导向模3就被压轮皮带压入卷杆2，隔离纸1就跟着卷杆2旋转，形成底部空心的圆柱形状。隔离纸管在自转过程中沿着预成型块4运动，这样其底部形成褶皱封口状态，然后经过加热块5的底部完全热缩封口二形成成品隔离管。

图3 隔离纸的卷绕和热缩

由于隔离管外径受工艺要求控制，因此卷杆2的外径尺寸是受控的，同时为了保证隔离纸1在导向模3内成型，卷杆2与导向模3的间隙需严格要求。另外影响隔离纸卷绕质量的因素还有卷杆2和压轮皮带的卷绕速度，因时间的限制，此机构未经过工艺开发，故而采用伺服电机来驱动卷杆2和压轮皮带的旋转。这样在调试过程中可以确定较好的旋转速度。加热块5通过温控器来控制加热管的通断，进而控制加热块的温度，经过实验验证保持加热块5温度在250～270℃之间，隔离管底部热缩状态较好。

3.3 隔离管的插入和卷杆的退出

经过热缩的隔离管在卷杆2的带动下，插入钢壳的锰环中，卷杆2的上下运动通过圆柱凸轮的带动。由于隔离管与卷杆2的配合非常紧，在隔离管插入锰环退出后非常容易将隔离管带高，从而造成次品，因此需设计一个反转机构，使卷杆2在退出的过程中进行反向转动，避免隔离管被带出。

本设备在原有的隔离管插入机构中增加了一套中心顶杆，即保证卷杆2和中心顶杆一同将隔离管插入钢壳底部后，卷杆2提升而中心顶杆保持插入状态，待卷杆2完全退出隔离管后中心顶杆再次退出，从而保证隔离管完全插入钢壳底部，减少次品的发生。但是增加了设备的复杂程度，给设备日常的维护保养带来困难。

3.4 次品剔除

为了保证设备的运行效率，避免由于生产出的次品造成设备停机，设计采用在线自动剔除机构。本机构采用伺服电机驱动偏心凸轮，电机每旋转一周就执行一次剔除运动，由于伺服电机转速可以设置高达6 000 r/min，因此设备不需要停机就可以在线执行剔除的动作。