便携式计算机电池保护器双面自动贴合机的研究与设计

2018-06-07高志来王由伟王璐璐郭琳娜邱自学

组合机床与自动化加工技术 2018年5期

高志来，王由伟，王璐璐，郭琳娜，邱自学

(南通大学机械工程学院，江苏南通 226019)

0 引言

电池保护器作为便携式计算机的保护装置，安装在锂二次电池内部，在便携式计算机锂电池中起着保护开关的作用，有效提高了锂电池及便携式计算机的安全性，是便携式计算机锂电池中必不可少的部件之一[1]。

电池保护器的生产工艺主要包括温度保险丝上料、L形镍片上料、R形镍片上料、点焊、贴麦拉片等工序，在完成焊接装配后，为避免电池保护器在使用中出现故障，要对电池保护器双面贴合绝缘麦拉片，其贴合质量对电池保护器整体性能的优劣有着重要影响。目前，国内大部分电池保护器生产企业多采用人工操作方式贴合麦拉片，生产效率较低。此外，由于电池保护器表面所粘贴的绝缘麦拉片面积很小，其位置较难精确定位，且人工长时间操作易产生疲劳，在贴合绝缘麦拉片后，经常出现麦拉片偏位、褶皱等问题，使温度保险丝与L形镍片的连接部分裸露在空气中，导致产品的质量和性能不稳定。针对上述存在的问题，设计的电池保护器双面自动贴合机以PLC作为主控制器，可实现电池保护器双面自动贴合绝缘麦拉片，贴合质量稳定，工作效率高。

1 工艺要求及功能分析

1.1 自动贴合机工艺要求

电池保护器由L形镍片、温度保险丝和R形镍片经点焊组装而成，如图1a所示。在其L形镍片位置贴合绝缘麦拉片，贴合过程分别如图1b和图1c所示，贴完麦拉片后的成品实物外观如图2所示。

(a)电池保护器 (b)麦拉片展开 (c)麦拉片贴合图1 电池保护器贴合麦拉片示意图

图2 贴合麦拉片后的电池保护器实物图

电池保护器麦拉片贴合的工艺要求为：在麦拉片被传送时，保持麦拉片的张力不变；贴合麦拉片时，贴合装置要无冲击、噪音小；贴合后，温度保险丝与L形镍片连接部分不能裸露在空气中；贴合节拍必须符合电池保护器生产线的总体节拍，为15s/个。

1.2 自动贴合机功能特点分析

双面自动贴合机是电池保护器制作的最后一道工序，因而该工序制作产品质量的优劣，直接决定了电池保护器是否合格。如果双面贴合机麦拉片贴合质量不合格，将直接导致了前道工序的无功作业，既造成材料的浪费，增加生产成本，又降低生产效率。根据电池保护器生产工艺要求，双面自动贴合机应具备以下功能：

(1) 麦拉片贴合可靠：实现麦拉片的精确进给，使麦拉片顺利从麦拉胶带上剥离，能够将电池保护器平稳运送并准确定位到麦拉片上；

(2) 全自动连续贴合麦拉片：麦拉片贴合过程中的各项操作，均为自动执行，无需人工干预，并可通过控制系统完成对各操作动作的协调控制和连续执行；同时，也可进行自动/手动模式切换，在手动模式下实现设备调试、故障处理以及生产任务的调整；

(3) 故障检测及报警功能：控制系统应能实现对系统运行状态的实时监测，包括传感器是否出现故障、执行机构是否按正常程序动作等，并能在出现异常状况时自动报警，及时停止设备运行。

(4) 机械结构紧凑：根据PLC的控制机理以及工业机器人伺服电机的运动特点，简化自动贴合机传动装置，合理安排贴合机构的布局，使所设计的贴合机结构紧凑，所占空间位置小，使用方便。

2 自动贴合机整体方案及关键部件设计

2.1 自动贴合机整体方案设计

为满足上述工艺要求及功能特点，设计的电池保护器双面自动贴合机主要由麦拉片传送机构、麦拉片贴合机构、四自由度机械手、报警器及人机操作界面等组成，如图3所示。

图3 双面贴合机示意图

电池保护器双面自动贴合机的工作流程为：

在设备开始运行前，手工将麦拉胶带卷筒放置于麦拉片传送机构放料盘处；伺服电机驱动麦拉片传送机构将麦拉胶带精确传送到指定位置，并使麦拉片从麦拉胶带上顺利剥离；当麦拉片贴合位置处的光纤传感器检测到麦拉片到达预定位置后，4自由度机械手将点焊完成后的电池保护器准确放置到展开麦拉片的一侧上，麦拉片贴合机构动作，将展开麦拉片的另一侧贴合在电池保护器上，实现电池保护器双面自动贴合麦拉片；贴合完成后，电池保护器将自动落到集料盒中；以此类推，可实现对电池保护器全自动连续贴合麦拉片，并收纳到集料盒中。

2.2 关键部件设计

2.2.1 麦拉片传送机构的设计

麦拉片传送机构用于将麦拉胶带精确传送到指定位置，并使麦拉片顺利从麦拉胶带上剥离。考虑到麦拉胶带缠绕在卷筒上，因而其结构设计可参照传统贴标机传送标签的方法[2]。标签卷与麦拉胶带展开状态分别如图4a和图4b所示。

(a) 标签卷 (b) 麦拉胶带图4 标签卷与麦拉胶带示意图

由图4可知，标签卷与麦拉胶带有着一定程度上的不同，图4a中标签由标签纸和底纸组成，现有贴标机通过其自身的剥离板配合其他装置将该种标签纸的标签与底纸脱离，并通过贴标辊将标签粘贴在待贴物品上；图4b中，麦拉胶带由OPP胶带、离型纸、麦拉片及PP203胶带四部分组成，贴麦拉片时，要通过OPP胶带将离型纸剥离，漏出麦拉片，才能从PP203胶带上剥离麦拉片。因此，现有的贴标机并不适用于贴麦拉片，需要在原有贴标机传送标签方法的基础上做一定的改进，改进后的麦拉片传送机构主要由放料盘、牵引轮、导辊组、收料轴1、2及伺服电机等组成，如图5所示。

图5 麦拉片传送机构

图5中，放料盘用于放置麦拉胶带卷筒，其旋转时可将麦拉胶带逐渐释放；牵引轮由伺服电机带动，用来牵引麦拉胶带，将麦拉胶带移动指定的距离；导辊组对麦拉胶带起着承托、引导、转向及校正的作用；收料轴1、2在牵引轮牵引麦拉胶带的同时，将OPP胶带及PP203胶带以卷筒的形式回收。随着麦拉胶带的输送，OPP、PP203胶带回收卷的直径越来越大，这和放料盘上麦拉胶带卷筒的情况正好相反。此时，麦拉胶带送料卷放料的速度比收料轴收料速度慢，造成了麦拉胶带的张紧力过紧。因此，放料盘还设置有扭矩保持器，用于调整麦拉胶带的张紧力，收料轴1、2上设置有过载保护器，用于在收料过程中，当麦拉胶带的张力超过一定值时，收料轴自动发生打滑。

2.2.2 麦拉片贴合机构的设计

麦拉片贴合机构通过两个气动手爪的相互配合实现电池保护器双面贴合麦拉片，如图6所示。

图6 麦拉片贴合机构

其中，第一气爪分别通过第一水平气缸和垂直气缸实现水平与垂直方向的移动，在第一水平气缸的带动下到达电池保护器位置，其上安装的第一夹持机构夹紧电池保护器，然后在垂直气缸的带动下，实现麦拉片的剥离，最后回到第一气爪初始位置，即麦拉片贴合落料位置；第二气爪通过第二水平气缸实现水平移动，在第二水平气缸的带动下到达麦拉片贴合落料位置，其上安装的第二夹持机构上设有斜面，可与第一夹持机构相互配合，准确地贴合电池保护器麦拉片。

3 气动系统设计

电池保护器双面自动贴合机的气动控制系统主要由气动三联件、二位五通电磁阀、气缸、气爪、单向节流阀、真空发生器组件以及真空吸盘等组成，系统原理如图7所示。

图7 气动系统原理图

其工作原理如下：气源由空气压缩机提供，压缩空气经过气动三联件(空气过滤器、减压阀、油雾器)净化后，达到所要求的空气质量。净化后的空气主要分为三路，一路是当真空发生器组件在PLC程序控制下使真空吸盘内产生负气压，将电池保护器吸牢并放置到指定位置后，平稳地进入真空吸盘内，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，真空吸盘脱离电池保护器，从而完成电池保护器的上料任务；另外两路经二位五通电磁阀和单向节流阀分别依次进入相对应的气缸与气爪，其中单向节流阀安装在气缸和气爪的进气口与出气口处，用于控制气缸和气爪运行的速度和平稳性，并通过PLC程序控制相应电磁阀的切换，完成气缸的伸出与缩回和气爪的夹紧与放松，从而实现电池保护器麦拉片的自动贴合。

该气动系统综合运用了电控和气动控制的特点，在气动控制的基础上，借助于电控实现各气动执行元件动作之间的协调控制，使得该装置运行可靠，自动化程度高，结构简单，动作速度快，适应环境能力强。

4 控制系统设计

根据对电池保护器双面自动贴合机功能特点分析，其控制系统硬件主要由PLC及输入输出模块，气动系统、伺服电机、光纤传感器、四自由度机械手、触摸屏等组成，如图8所示。

图8 控制系统硬件连接图

4.1 控制系统硬件设计

4.1.1 PLC选型

PLC主要用于处理开关量信号，其最大的优点是控制逻辑具有可编程性，编程比较容易，对操作人员的要求低，通用性好，方便硬件的扩展，尤其是其可以稳定可靠地运行于环境恶劣的工业现场中，因而被广泛地运用于工控领域当中[3-4]。PLC的选型一般要考虑程序储存容量、数据储存容量、扫描时间和程序要求等因素，电池保护器双面自动贴合机控制结构不是特别复杂，能够选择小型的PLC。在小型的PLC当中，西门子、AB的价格相对而言比较高，而欧姆龙以及三菱价格比较低。根据电池保护器双面自动贴合机的功能要求并考虑到新功能增加及控制规模扩展等情况，选择欧姆龙型号为CP1H-X40DR-A的PLC作为主控制器，其输入点数为24、输出点数为16，并可通过CPM1A系列的I/O扩展单元将其I/O点最多扩展至320个I/O点，继电器输出型，使用AC电源。

4.1.2 4自由度机械手设计

4自由度机械手用于将点焊完成后的电池保护器精确放置到已展开的麦拉片上，主要由三菱型号为RH-3FH35的工业机器人和真空吸附组件构成。其中，选用的三菱工业机器人具有结构紧凑、周期时间短、重复定位精度高等特点，适用于小工件的组装、搬运[5-6]，可满足贴合麦拉片时的精度要求；在此工业机器人的基础上，设计安装了真空吸附组件，用于吸附电池保护器，真空吸附组件由控制系统控制完成真空吸附电池保护器，并与工业机器人相配合，将电池保护器精确放置到指定位置。

4.1.3 触摸屏选型

触摸屏为系统操作人员提供系统的状态界面以及系统主要参数的设定、修改功能，操作人员可以从该界面查看系统当前及历史控制、报警和故障监测等信息，以解决故障及报警问题，从而实现对系统的有效控制[7-8]。在电池保护器双面自动贴合机控制系统中，人机界面主要由触摸屏、设备启、停和急停按钮等组成。其中，根据控制系统的要求和特点，并结合所选的PLC型号，通过对各品牌触摸屏的参数及性能对比，决定选用台湾威纶科技公司开发的产品MT8070iE，安装在人机界面的面板上，其有一个RS-232接口和一个RS422/485接口，通过RS232串口与PLC控制器进行通讯，操作方便、支持大多数语言的字符且能适应不同的应用场合。

4.2 控制系统软件设计

4.2.1 PLC程序设计

PLC软件设计采用了VEINVIEW的应用软件包CX-programmer，主程序主要由自动程序、手动程序和报警程序组成。系统控制程序以梯形图的方式实现，并通过RS232接口直接写入PLC中。但由于PLC的梯形图较长，限于篇幅，这里只介绍自动子程序的设计流程，如图9所示。

4.2.2 触摸屏程序设计

触摸屏程序的设计采用了EasyBuilder800的组态软件，主要包括变量设定和画面创建[9-10]。变量设置是将触摸屏的组态功能与 PLC 的相应 I/O 接点及存储单元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对 PLC参数的输入、PLC 当前值及报警信号向触摸屏的输出。画面创建主要分为三个层次，各层次界面设计内容如图10所示。

图中，自动贴合界面主要用于电池保护器双面自动贴合机的自动运行过程中，实现对系统运行状态的实时监测。若设备出现异常，如伺服电机未正常运转、执行气缸未到达指定位置等，则发出报警信号，显示出故障点，从而确定异常位置。