热电池云母片包裹系统设计

刘川瑞杨学军曾鹏飞郝永平周 超李 鑫

(1.沈阳理工大学机械工程学院，沈阳 110159；2.辽宁省先进制造技术与装备重点实验室，沈阳 110159；3.山西江阳兴安民爆器材有限公司，太原 030041)

热电池是一种不可逆的化学能源[1]，具有激活速度快、输出功率高、储存寿命长和环境适应性强等优点[2-3]，广泛应用于智能弹药、炸弹、导弹等领域[4]。 如何提升热电池装配效率一直是各国研究的重点。 美国的Arbin 和Maccor 公司、日本的Nec 公司、加拿大海霸公司等各大电池生产企业都在热电池自动化装配领域有所研究。 Guidotti 等[5]采用等离子喷涂法成功制备了薄尺寸的CoS2正极片，通过优化热电池结构提升其装配效率。 Winchester Interconnect Hermetics 公司的研究人员申请了“热电池装配以及相关方法”的专利[6]。 重庆师范大学2018 年研究设计了一套热电池智能辅助装配系统[7]。

目前，国内热电池的装配大多数仍采用人工操作，配合简易的机构进行定位、夹紧、限位等。热电池装配效率低、失误率高、对人体损害大。 本文将针对热电池自动化装配生产的实际需求，以热电池中的“6 号电池”作为装配对象，设计热电池云母片包裹系统。

1 热电池云母片装配工艺

热电池装配工艺主要包括电堆叠片、引燃条及人造云母片装配、保温棉缠绕、电池盖及外壳装配四个部分。 云母片装配的关键问题是如何在胶带与电堆表面不直接接触的情况下，将云母片包裹在电堆表面，并保证夹在云母片和电堆之间的引燃条位置准确。

云母片装配工艺流程如图1 所示。 首先电堆完成叠片，此时引线与电池端面平行，如图1(a)所示；然后将引线弯折至与电堆轴线平行，如图1(b)所示；最后将云母围子包裹在电堆表面并通过喷胶进行封口，完成装配后的热电池模型如图1(c)所示。

图1 云母片装配工艺

2 云母片包裹系统结构设计

根据热电池云母片装配工艺流程设计了云母片包裹系统的总体结构，如图2 所示。

图2 云母片包裹系统总体结构

云母片包裹机构分三个部分，分别为引线弯折机构、云母片装配机构和电堆输送机构。

2.1 引线弯折机构

引线弯折机构采用气缸带动包裹手对电堆进行压紧，包裹手上的凹槽正对电堆引线位置，在压紧的同时对引线完成第一次弯折(弯折角度约70°)，如图3(a)所示。完成一次弯折后由电机带动转盘及转盘上的包裹手，以电堆轴线为中心进行一次往复回转，完成第二次引线弯折，如图3(b)所示。 从而使两条引线与电堆轴线平行，完成装配，引线弯折工作原理如图3(c)所示。

图3 引线弯折过程及工作原理

2.2 云母片装配机构

云母片装配机构包括云母片供料机构和吸附包裹机构两部分。

2.2.1云母片供料机构

供料机构采用摩擦轮的方式进行单片供料，并通过供料导向和自身重力作用运送到上料装配位置，如图4 所示。

图4 云母片供料机构

为实现云母片单片供料，在装配位置添加光电传感器，对供料电机停、转进行控制。 当装配位置感应到云母片遮挡，传感器断电，供料电机停转，停止供料。 在完成一次装配循环后，传感器重新供电继续供料。

2.2.2吸附包裹机构

吸附包裹机构由气缸带动的包裹手构成，如图5 所示。 四个包裹手以电堆轴线为中心环绕布置，通过不同时序进给，将云母片压紧贴合在电堆表面。

1)吸附包裹结构设计

吸附包裹结构主要由包裹手和吸附包裹手构成，结构设计如图6 所示。

吸附包裹手由气缸带动进行包裹，气缸每次进给的行程固定。 为满足不同尺寸的热电池装配，将吸附包裹手部分设计为可拆卸结构，包裹位置通过螺纹连接在吸附气缸上，吸附气缸底部添加弹簧，气缸行程固定，在进给时先将云母片贴合在电堆表面，之后压缩弹簧对云母片进行压紧。

为使云母片与电堆表面更加贴合，在保证电堆不发生偏移的前提下，尽可能加大包裹手的压紧力。 本文通过对云母片包裹处施加不同压力，测量喷胶粘合处粘合长度，判断云母片是否装配牢靠。 云母片包裹压力实验结果如表1 所示。

表1 云母片包裹压力实验结果

由表1 可知，满足装配要求的压力为1.2 N。为保证云母片装配牢靠，包裹手在电堆表面施加的压力F1实际取1.5 N，包裹手底部的弹簧弹力均应小于F1。 选用线径为0.8 mm、中心直径为15.2 mm、有效圈数为20 的钢材质弹簧，弹簧弹性系数k为[8]

式中:G为剪切弹性模量， MPa (钢丝G＝8 000 MPa)；d为线径，mm；n为有效圈数；D2为中心直径，mm。

由式(1)计算得到k＝0.089 N/mm。弹簧压缩量λ计算式为

由式(2)计算得到λ＝16. 85 mm，取整为20 mm，其中预紧压缩量为5 mm，装配压缩量为15 mm。

施加在电堆叠片各表面之间的正压力N1计算式为

式中μ为静摩擦系数，取0.15。气缸的实际输出力F实≥N1，故取F实＝10N。气缸理论输出力F理与气缸负载率β的关系为

式中:D为气缸内径，mm；P为工作压强，MPa；β为阻性负载，取85%[9]。

经计算，F理＝11.76 N，故气缸的工作压力应大于11.76 N，考虑气缸所需行程，确定下压气缸型号，气缸参数如表2 所示。

表2 下压气缸参数

2)包裹机构动力学分析与仿真

对包裹机构进行动力学分析，重点分析包裹手的速度及加速度，确定包裹手对电堆包裹时是否会对电堆产生冲击。 进行动力学分析前，先对机构运动进行简化，建立如图7 所示的广义坐标系[10]。 将包裹机构简化为质点M，包裹手底部有弹簧，由于导向杆和铜套之间属于过盈配合，会对系统产生一定的阻尼[11]，故包裹机构运动可以简化为单自由度有阻尼的自由振动。

图7 简化运动模型

以质心M为原点建立广义坐标系，取M的位移x为广义坐标，建立振动微分方程为

式中:m为包裹机构质量，kg；x为M的位移，mm；c为阻尼系数，N·s/mm。

振动系统的通解形式为

式中:A为振幅；ωd为自由振动的圆频率。 取初始状态t＝0 时的得出振动方程初始振幅A1及相位α为

由此，包裹手的位移函数为

式中:t为机构运动时间，s；F0为包裹机构在装配过程中的受力，N；F实为气缸实际施加在包裹机构上的压力，N；f为包裹机构过盈配合所产生的摩擦力，N。

综上可知，包裹手在运动过程中的振动图像为一个逐步衰减的正弦函数，其位移函数分为两部分:沿气缸进给方向的主运动函数；系统自身的振动函数。 将位移对时间二次求导得到加速度。

应用Adams 软件对包裹机构进行动力学分析[12]，将包裹机构简化为如图8 所示的模型。 由于2、3、4 号包裹手结构、动作相同，为提高计算效率，针对3 号包裹手进行仿真分析。 选定包裹机构材质为铝，添加驱动力，输入底座弹簧参数和碰撞参数，得到包裹机构的加速度-时间曲线。 包裹手加速度-时间曲线如图9(a)所示，吸附手加速度-时间曲线如图9(b)所示。

图8 简化分析模型

图9 运动仿真结果

2.3 电堆输送机构设计与仿真

2.3.1电堆输送机构

电堆在完成云母片装配前为散片，在运输过程中需保证其不发生散落以满足装配要求。 电堆输送机构如图10 所示。

图10 电堆输送机构

电堆输送机构由传送带和电堆底座构成。 底座固定在传送带中间位置，由传送带运送至各个工位，在运送过程中底座处于闭合状态，如图10(a)所示。 为防止叠片散落，底座在工位上准确定位后，工位上的下压气缸进给，将底座打开，然后进行装配，如图10(b)所示。 底座设计为内螺纹结构，可将其固定在传送带上。

2.3.2电堆底座静力学仿真与分析

由表2 中选用的下压气缸工作压力为20 N，表明施加在电堆上的载荷为20 N，底座所承受的载荷同为20 N。 通过SolidWorks Simulation 软件进行静力学分析[13]。

设置底座材料为退火不锈钢，将底座与传送带相接的表面固定，在承台的电堆承载面以及承台与底座的接触面施加载荷，将下压气缸施加在电堆上的载荷20 N 定义为静力，在机构各受力面均以20 N 作为输入值施加载荷，得到电堆底座静力分析结果，如图11 所示。

图11 电堆底座静力分析结果

由图11(a)可以看出，应力分布集中在底座支撑上，受载材料的屈服极限为292 MPa，在电堆装配过程中对底座施加的负载远小于其屈服极限，其余部位未见较大应力，应力最大值为1.51 ×105Pa，故该部分的应力集中点对底座承载电堆进行装配无影响；由图11(b)可知，承台与电堆接触表面最大位移为1.316 54 ×10-8m，该位移出现在电堆的轴线方向，且位移量较小，对电堆装配几乎不产生影响，故设计方案可行。

3 结论

本文针对热电池云母片装配系统进行了结构设计。

首先，按照云母片装配工艺要求完成了云母片装配机构的总体设计；其次，分别对云母片装配机构中供料机构和吸附包裹机构进行结构设计；最后，对装配机构运动的核心动作，即吸附手的包裹动作进行动力学计算和分析。 通过仿真验证分析结果，并对电堆底座进行静力学仿真与分析，其结构中应力峰值远小于材料屈服极限。 各部分机构均满足装配需求，云母片包裹系统设计具有可行性。

该系统在一定程度上不需要人员与工件直接接触即可完成装配，满足了特定型号的热电池装配工艺要求，可为热电池装配提供参考。