便携式计算机电池保护器自动化生产线的研究与设计

鞠家全，王由伟，张军，郑天池，邱自学

(南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019)



便携式计算机电池保护器自动化生产线的研究与设计

鞠家全，王由伟，张军，郑天池，邱自学

(南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019)

便携式计算机电池保护器由R形镍片、温度保险丝、L形镍片组成；其生产工序包括温度保险丝上料、L形镍片上料、R形镍片上料、点焊等。针对以上工序设计了一条便携式计算机电池保护器自动化生产线。该生产线集合了电池保护器生产的多个工序，采用可编程控制器(PLC)作为单个子机控制核心，各个子机系统采用PC Link网络相互通讯，结合各个子机的触摸屏实现对子机及整个系统的监控。该生产线可有效的提高电池保护器生产制造的自动化水平和生产效率，保证生产质量，降低劳动强度及生产成本。

电池保护器；自动化生产线；控制系统；PLC

0 引言

21世纪以来，随着社会信息化的不断的深入，人们的生活水平不断的提高及便携式计算机的价格持续降低，便携式计算机已经成为了越来越多人的私有物品[1]。电池保护器作为便携式计算机锂电池的保护装置，安装于锂二次电池内部，保护锂电池及计算机的安全。目前国内大部分企业多采用人工或半自动化的方式生产加工电池保护器，且存在以下不足：①人工对电池保护器各个部件摆放，摆放位置不精确；②电池保护器各部分零件较小，人工操作易产生视觉疲劳；③治具需多次搬运，劳动强度大，产品质量不稳定，效率低。针对以上问题，设计了一条便携式计算机电池保护器自动化生产线。

在国外，像苹果、三星等从事便携式计算机开发的制造商，很少制造便携式计算机的结构件或者只制造少量相对关键的零部件。这些制造商基本上不生产便携式计算机电池保护器，所以在国外很少有生产电池保护器的制造商，研发电池保护器设备的制造商就更少。在国内，电池保护器半自动化生产线是生产电池保护器的主流方式，虽然开发电池保护器设备的公司比较多，涉及的产品开发领域大部分为自动上料设备、自动点焊设备、双镍片自动检测设备或者同时开发多种设备，但研究开发电池保护器整条生产线及研究其生产工艺的企业很少。

本文中根据电池保护器的生产工艺，对比企业通常采用的集中式布局和线性布局方案，综合比较两种设计方案的优缺点，结合企业自动化生产的要求，设计了可拆卸式集中布局的电池保护器自动化生产线。可拆卸式集中布局设计的生产线可提高自动化水平，空间占用小，生产效率高，减轻劳动强度，降低生产成本，在保证产品质量的同时为以后升级自动化生产线或者更改生产工艺带来了便利。

1 便携式计算机电池保护器自动化生产线总体方案

1.1 电池保护器的介绍

一个完整的便携式计算机电池保护器由L形镍片，温度保险丝，R形镍片，麦拉片四个部分组成，具有体积小，质量轻，生产加工工序多等特点。图1所示为电池保护器实物图；图2所示为电池保护器贴麦拉片示意图。

图1 电池保护器

1.R形镍片 2.温度保险丝 3.L形镍片 4.麦拉片

1.2 便携式计算机电池保护器生产流程

计算机电池保护器自动化生产工序包括：温度保险丝上料，L形镍片自动上料，R形镍片自动上料，点焊，双镍片检测，内电阻检测，从治具中取出电池保护器，贴麦拉片，落料。实际生产中为适应其自动化生产线，对其生产工序做了调整，具体生产流程如图3所示。

图3 电池保护器自动化生产流程

1.3 便携式计算机电池保护器自动化生产线总体方案介绍

根据电池保护器生产工序，初步设计出两套子机布局方案，其中方案一：线型布局设计，即在线性传送带的两侧分别放置电池保护器各个加工工序子机，传送带将治具依次运送至各个子机对应的加工位置，各个子机再执行对应的功能，从而实现电池保护器的加工；方案二：集中式布局设计，即将各个加工工序集中于一台机器上，通过治具循环装置传送加工件，实现电池保护器的加工。比较两种方案，有以下缺点，方案一：线型布局设计，结构简单，但生产线较长，占用空间较大；方案二：集中式布局设计，虽然机械结构紧凑，占用空间小，但是不利于以后自动化生产线的升级及生产工艺的改进。

综合考虑空间布局及生产工艺要求，结合方案一和方案二优点设计了一种可拆卸式集中布局方案，即各个加工工艺子机与治具循环装置配合动作实现既定的功能。这样的设计减小了设备占用空间，且在以后产品升级换代中，无需更换整条生产线设备，减少了设备升级换代成本。具体设计布局方案如图4所示。

1.温度保险丝自动上料机 2.L形镍片自动上料机 3.R形镍片自动上料机 4.点焊装置 5.电阻测试装置 6.双镍片检测装置 7.治具自动循环装置 8.治具 9.不合格品落料装置 10.双面自动贴合机

图4 可拆卸式集中布局方案

根据设计的方案，电池保护器生产线循环动作流程如图5所示：第一工位温度保险丝自动上料机将保险丝运送到治具循环装置的治具中；治具循环装置旋转到第二工位，L形镍片自动上料机将L形镍片输送到治具循环装置上的治具里；治具循环装置旋转到第三工位，R形镍片自动上料机将R形镍片输送到治具循环装置上的治具里；治具循环装置旋转到第四工位，点焊装置分别对温度保险丝与R形镍片的接触点及温度保险丝与L形镍片的接触点点焊；治具循环装置旋转到第五工位，双镍片检测装置检测焊接好的电池保护器是否有双镍片重合；治具循环装置旋转到第六工位，内电阻检测装置检测电池保护器内电阻是否符合标准；治具循环装置旋转到第七工位，取废料装置将不符合标准的电池保护器从生产线上取出并放入废料盒中；治具循环装置旋转到第八工位，双面麦拉片自动贴合机对电池保护器双面贴麦拉片并将其放入成品盒中。

图5 可拆卸式集中布局方案循环动作流程图

2 便携式计算机电池保护器自动化生产线控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

该自动化生产线各子机采用独立的可编程控制器(PLC)控制各自功能，各个子机间通讯采用PC Link网络相互通讯；采用气动元件作为执行机构；运用激光传感器检测镍片有无；各个子机有独立的触摸屏，可以实时显示设备的运行状态，对子机运行状态进行监控。选择欧姆龙公司的CP1H系列PLC，型号为CP1H-X40DR-A，其具有输入点24个，输出点16个，满足各个子机的需求。根据生产线控制系统及工作特点要求，选择操作方便，支持多种语言字符并且能够适应生产线工作环境的触摸屏。设计选用MT8070iE人机界面，它通过RS232串口和CPU进行通讯。性能稳定，操作方便。电池保护器自动化生产线控制系统框图如图6所示。

整条生产线有五个可编程控制器(PLC)，即温度保险丝自动上料机、L形镍片自动上料机、R形镍片自动上料机、电池保护器双面自动贴合机、治具循环装置，并且将治具循环装置的PLC设置为主站，其他子机的PLC设置为从站。5个PLC之间通过RS422/485相连，整个控制系统采用PC Link网络通信。将安装好组态王软件的工业计算机串口与治具循环装置PLC的编程接口联接，使用组态王软件开发自动化生产线的监控界面。其中PC Link网络主站/从站设定如图7所示。

图6 控制系统框图

(a)主站设定

(b)从站设定

2.2 控制系统软件设计

在了解各个子机工作原理、PLC选型及I/O地址分配表的前提下，编写控制程序及相应的软件设计。因篇幅有限，现以温度保险丝自动上料机为例做介绍，实物图如图8所示。其他子机控制系统软件设计与温度保险丝自动上料机控制系统软件设计基本相似，不做具体叙述。

温度保险丝自动上料机的触摸屏控制界面主要包括：初始化、自动模式、手动模式。程序流程如图9所示。

初始化程序：开机后，如果四自由度机械手的手臂不在初始状态，选择初始化程序，初始化程序会自动将机械手臂移至初始位置。

自动模式：自动上料，即将直线上料器上的温度保险丝全部逐个地输送到点焊治具上。上料前首

先进行初始化，然后将温度保险丝逐个地送到点焊治具上。

手动模式：使温度保险丝上料机上的振动盘、直线送料器、四自由度机械手以及真空吸嘴能够独立地运动。

在上述的三种模式当中，自动模式必须参考温度保险丝特征参数进行，即需实时釆集温度保险丝图像，提取其特征参数，进行判断温度保险丝形态是否正确。

图8 温度保险丝自动上料机实物图

图9 程序流程图

3 结束语

设计的可拆卸式集中布局的电池保护器自动化生产线现已在苏州某企业中应用，设备现场应用情况良好，已得到企业的认可与肯定。

(1) 设计的电池保护器自动化生产线在保证系统稳定性，可靠性的前提下，将原有的由人工完成上料、点焊、贴麦拉片、取料以及其他一系列工作交由多个四自由度机械手与其他辅助装置组成的自动化生产系统完成，减轻了劳动强度，提高了生产效率，保证了产品质量。

(2) 与传统的线性布局设计和集中式布局设计相比，可拆卸式集中布局设计不仅满足生产工艺的需求，缩减产线长度，减少空间占用，实现自动化生产，降低生产成本，而且便于以后产品加工工艺的改变及设备的升级。

(3) 本文中虽然对电池保护器生产线进行了设计与研究并提高了生产效率，但是目前生产线是由多个子机组合而成，各个子机控制由单独的PLC控制，各道工序间的协调动作任然需要进一步优化，如果能开发多功能一体机，集各工序的控制、检测、视觉等功能为一体，实现设备小型化、精密化、智能化，这将进一步提高生产线的动作协调性能和生产效率，缩减生产成本，这将作为以后的一个研究方向。

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[12] 崔刚，许掐生，耿兰风.基于PC-Link的PLC控制[J]. 自动化与仪表，2005,20(2)：57-59.

(编辑 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

南通市重大科技创新专项(XA2014011)；南通大学研究生创新计划项目(YCK15007)

鞠家全(1990—)，男，江苏淮安人，南通大学硕士研究生，研究方向为机电装备及测控技术，(E-mail) 1183559116@qq.com；通讯作者：邱自学(1963—)，男，江苏南通人，南通大学教授，博士生导师，研究方向为机电装备及测控技术，智能结构及其健康监测技术，(E-mail)nqiuzx@163.com。

TH237;TG65

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