便攜式計算機(jī)電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)的研究與設(shè)計

高志來，王由偉，王璐璐，郭琳娜，邱自學(xué)

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

電池保護(hù)器作為便攜式計算機(jī)的保護(hù)裝置，安裝在鋰二次電池內(nèi)部，在便攜式計算機(jī)鋰電池中起著保護(hù)開關(guān)的作用，有效提高了鋰電池及便攜式計算機(jī)的安全性，是便攜式計算機(jī)鋰電池中必不可少的部件之一[1]。

電池保護(hù)器的生產(chǎn)工藝主要包括溫度保險絲上料、L形鎳片上料、R形鎳片上料、點(diǎn)焊、貼麥拉片等工序，在完成焊接裝配后，為避免電池保護(hù)器在使用中出現(xiàn)故障，要對電池保護(hù)器雙面貼合絕緣麥拉片，其貼合質(zhì)量對電池保護(hù)器整體性能的優(yōu)劣有著重要影響。目前，國內(nèi)大部分電池保護(hù)器生產(chǎn)企業(yè)多采用人工操作方式貼合麥拉片，生產(chǎn)效率較低。此外，由于電池保護(hù)器表面所粘貼的絕緣麥拉片面積很小，其位置較難精確定位，且人工長時間操作易產(chǎn)生疲勞，在貼合絕緣麥拉片后，經(jīng)常出現(xiàn)麥拉片偏位、褶皺等問題，使溫度保險絲與L形鎳片的連接部分裸露在空氣中，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不穩(wěn)定。針對上述存在的問題，設(shè)計的電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)以PLC作為主控制器，可實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器雙面自動貼合絕緣麥拉片，貼合質(zhì)量穩(wěn)定，工作效率高。

1 工藝要求及功能分析

1.1 自動貼合機(jī)工藝要求

電池保護(hù)器由L形鎳片、溫度保險絲和R形鎳片經(jīng)點(diǎn)焊組裝而成，如圖1a所示。在其L形鎳片位置貼合絕緣麥拉片，貼合過程分別如圖1b和圖1c所示，貼完麥拉片后的成品實(shí)物外觀如圖2所示。

(a)電池保護(hù)器 (b)麥拉片展開 (c)麥拉片貼合圖1 電池保護(hù)器貼合麥拉片示意圖

圖2 貼合麥拉片后的電池保護(hù)器實(shí)物圖

電池保護(hù)器麥拉片貼合的工藝要求為：在麥拉片被傳送時，保持麥拉片的張力不變；貼合麥拉片時，貼合裝置要無沖擊、噪音小；貼合后，溫度保險絲與L形鎳片連接部分不能裸露在空氣中；貼合節(jié)拍必須符合電池保護(hù)器生產(chǎn)線的總體節(jié)拍，為15s/個。

1.2 自動貼合機(jī)功能特點(diǎn)分析

雙面自動貼合機(jī)是電池保護(hù)器制作的最后一道工序，因而該工序制作產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，直接決定了電池保護(hù)器是否合格。如果雙面貼合機(jī)麥拉片貼合質(zhì)量不合格，將直接導(dǎo)致了前道工序的無功作業(yè)，既造成材料的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本，又降低生產(chǎn)效率。根據(jù)電池保護(hù)器生產(chǎn)工藝要求，雙面自動貼合機(jī)應(yīng)具備以下功能：

(1) 麥拉片貼合可靠：實(shí)現(xiàn)麥拉片的精確進(jìn)給，使麥拉片順利從麥拉膠帶上剝離，能夠?qū)㈦姵乇Ｗo(hù)器平穩(wěn)運(yùn)送并準(zhǔn)確定位到麥拉片上；

(2) 全自動連續(xù)貼合麥拉片：麥拉片貼合過程中的各項(xiàng)操作，均為自動執(zhí)行，無需人工干預(yù)，并可通過控制系統(tǒng)完成對各操作動作的協(xié)調(diào)控制和連續(xù)執(zhí)行；同時，也可進(jìn)行自動/手動模式切換，在手動模式下實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試、故障處理以及生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)整；

(3) 故障檢測及報警功能：控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，包括傳感器是否出現(xiàn)故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否按正常程序動作等，并能在出現(xiàn)異常狀況時自動報警，及時停止設(shè)備運(yùn)行。

(4) 機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊：根據(jù)PLC的控制機(jī)理以及工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)的運(yùn)動特點(diǎn)，簡化自動貼合機(jī)傳動裝置，合理安排貼合機(jī)構(gòu)的布局，使所設(shè)計的貼合機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間位置小，使用方便。

2 自動貼合機(jī)整體方案及關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 自動貼合機(jī)整體方案設(shè)計

為滿足上述工藝要求及功能特點(diǎn)，設(shè)計的電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)主要由麥拉片傳送機(jī)構(gòu)、麥拉片貼合機(jī)構(gòu)、四自由度機(jī)械手、報警器及人機(jī)操作界面等組成，如圖3所示。

圖3 雙面貼合機(jī)示意圖

電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)的工作流程為：

在設(shè)備開始運(yùn)行前，手工將麥拉膠帶卷筒放置于麥拉片傳送機(jī)構(gòu)放料盤處；伺服電機(jī)驅(qū)動麥拉片傳送機(jī)構(gòu)將麥拉膠帶精確傳送到指定位置，并使麥拉片從麥拉膠帶上順利剝離；當(dāng)麥拉片貼合位置處的光纖傳感器檢測到麥拉片到達(dá)預(yù)定位置后，4自由度機(jī)械手將點(diǎn)焊完成后的電池保護(hù)器準(zhǔn)確放置到展開麥拉片的一側(cè)上，麥拉片貼合機(jī)構(gòu)動作，將展開麥拉片的另一側(cè)貼合在電池保護(hù)器上，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器雙面自動貼合麥拉片；貼合完成后，電池保護(hù)器將自動落到集料盒中；以此類推，可實(shí)現(xiàn)對電池保護(hù)器全自動連續(xù)貼合麥拉片，并收納到集料盒中。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.2.1 麥拉片傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計

麥拉片傳送機(jī)構(gòu)用于將麥拉膠帶精確傳送到指定位置，并使麥拉片順利從麥拉膠帶上剝離?？紤]到麥拉膠帶纏繞在卷筒上，因而其結(jié)構(gòu)設(shè)計可參照傳統(tǒng)貼標(biāo)機(jī)傳送標(biāo)簽的方法[2]。標(biāo)簽卷與麥拉膠帶展開狀態(tài)分別如圖4a和圖4b所示。

(a) 標(biāo)簽卷 (b) 麥拉膠帶圖4 標(biāo)簽卷與麥拉膠帶示意圖

由圖4可知，標(biāo)簽卷與麥拉膠帶有著一定程度上的不同，圖4a中標(biāo)簽由標(biāo)簽紙和底紙組成，現(xiàn)有貼標(biāo)機(jī)通過其自身的剝離板配合其他裝置將該種標(biāo)簽紙的標(biāo)簽與底紙脫離，并通過貼標(biāo)輥將標(biāo)簽粘貼在待貼物品上；圖4b中，麥拉膠帶由OPP膠帶、離型紙、麥拉片及PP203膠帶四部分組成，貼麥拉片時，要通過OPP膠帶將離型紙剝離，漏出麥拉片，才能從PP203膠帶上剝離麥拉片。因此，現(xiàn)有的貼標(biāo)機(jī)并不適用于貼麥拉片，需要在原有貼標(biāo)機(jī)傳送標(biāo)簽方法的基礎(chǔ)上做一定的改進(jìn)，改進(jìn)后的麥拉片傳送機(jī)構(gòu)主要由放料盤、牽引輪、導(dǎo)輥組、收料軸1、2及伺服電機(jī)等組成，如圖5所示。

圖5 麥拉片傳送機(jī)構(gòu)

圖5中，放料盤用于放置麥拉膠帶卷筒，其旋轉(zhuǎn)時可將麥拉膠帶逐漸釋放；牽引輪由伺服電機(jī)帶動，用來牽引麥拉膠帶，將麥拉膠帶移動指定的距離；導(dǎo)輥組對麥拉膠帶起著承托、引導(dǎo)、轉(zhuǎn)向及校正的作用；收料軸1、2在牽引輪牽引麥拉膠帶的同時，將OPP膠帶及PP203膠帶以卷筒的形式回收。隨著麥拉膠帶的輸送，OPP、PP203膠帶回收卷的直徑越來越大，這和放料盤上麥拉膠帶卷筒的情況正好相反。此時，麥拉膠帶送料卷放料的速度比收料軸收料速度慢，造成了麥拉膠帶的張緊力過緊。因此，放料盤還設(shè)置有扭矩保持器，用于調(diào)整麥拉膠帶的張緊力，收料軸1、2上設(shè)置有過載保護(hù)器，用于在收料過程中，當(dāng)麥拉膠帶的張力超過一定值時，收料軸自動發(fā)生打滑。

2.2.2 麥拉片貼合機(jī)構(gòu)的設(shè)計

麥拉片貼合機(jī)構(gòu)通過兩個氣動手爪的相互配合實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器雙面貼合麥拉片，如圖6所示。

圖6 麥拉片貼合機(jī)構(gòu)

其中，第一氣爪分別通過第一水平氣缸和垂直氣缸實(shí)現(xiàn)水平與垂直方向的移動，在第一水平氣缸的帶動下到達(dá)電池保護(hù)器位置，其上安裝的第一夾持機(jī)構(gòu)夾緊電池保護(hù)器，然后在垂直氣缸的帶動下，實(shí)現(xiàn)麥拉片的剝離，最后回到第一氣爪初始位置，即麥拉片貼合落料位置；第二氣爪通過第二水平氣缸實(shí)現(xiàn)水平移動，在第二水平氣缸的帶動下到達(dá)麥拉片貼合落料位置，其上安裝的第二夾持機(jī)構(gòu)上設(shè)有斜面，可與第一夾持機(jī)構(gòu)相互配合，準(zhǔn)確地貼合電池保護(hù)器麥拉片。

3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)的氣動控制系統(tǒng)主要由氣動三聯(lián)件、二位五通電磁閥、氣缸、氣爪、單向節(jié)流閥、真空發(fā)生器組件以及真空吸盤等組成，系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 氣動系統(tǒng)原理圖

其工作原理如下：氣源由空氣壓縮機(jī)提供，壓縮空氣經(jīng)過氣動三聯(lián)件(空氣過濾器、減壓閥、油霧器)凈化后，達(dá)到所要求的空氣質(zhì)量。凈化后的空氣主要分為三路，一路是當(dāng)真空發(fā)生器組件在PLC程序控制下使真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，將電池保護(hù)器吸牢并放置到指定位置后，平穩(wěn)地進(jìn)入真空吸盤內(nèi)，使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓，真空吸盤脫離電池保護(hù)器，從而完成電池保護(hù)器的上料任務(wù)；另外兩路經(jīng)二位五通電磁閥和單向節(jié)流閥分別依次進(jìn)入相對應(yīng)的氣缸與氣爪，其中單向節(jié)流閥安裝在氣缸和氣爪的進(jìn)氣口與出氣口處，用于控制氣缸和氣爪運(yùn)行的速度和平穩(wěn)性，并通過PLC程序控制相應(yīng)電磁閥的切換，完成氣缸的伸出與縮回和氣爪的夾緊與放松，從而實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)器麥拉片的自動貼合。

該氣動系統(tǒng)綜合運(yùn)用了電控和氣動控制的特點(diǎn)，在氣動控制的基礎(chǔ)上，借助于電控實(shí)現(xiàn)各氣動執(zhí)行元件動作之間的協(xié)調(diào)控制，使得該裝置運(yùn)行可靠，自動化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，動作速度快，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)功能特點(diǎn)分析，其控制系統(tǒng)硬件主要由PLC及輸入輸出模塊，氣動系統(tǒng)、伺服電機(jī)、光纖傳感器、四自由度機(jī)械手、觸摸屏等組成，如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件連接圖

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1.1 PLC選型

PLC主要用于處理開關(guān)量信號，其最大的優(yōu)點(diǎn)是控制邏輯具有可編程性，編程比較容易，對操作人員的要求低，通用性好，方便硬件的擴(kuò)展，尤其是其可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中，因而被廣泛地運(yùn)用于工控領(lǐng)域當(dāng)中[3-4]。PLC的選型一般要考慮程序儲存容量、數(shù)據(jù)儲存容量、掃描時間和程序要求等因素，電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)控制結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜，能夠選擇小型的PLC。在小型的PLC當(dāng)中，西門子、AB的價格相對而言比較高，而歐姆龍以及三菱價格比較低。根據(jù)電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)的功能要求并考慮到新功能增加及控制規(guī)模擴(kuò)展等情況，選擇歐姆龍型號為CP1H-X40DR-A的PLC作為主控制器，其輸入點(diǎn)數(shù)為24、輸出點(diǎn)數(shù)為16，并可通過CPM1A系列的I/O擴(kuò)展單元將其I/O點(diǎn)最多擴(kuò)展至320個I/O點(diǎn)，繼電器輸出型，使用AC電源。

4.1.2 4自由度機(jī)械手設(shè)計

4自由度機(jī)械手用于將點(diǎn)焊完成后的電池保護(hù)器精確放置到已展開的麥拉片上，主要由三菱型號為RH-3FH35的工業(yè)機(jī)器人和真空吸附組件構(gòu)成。其中，選用的三菱工業(yè)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、周期時間短、重復(fù)定位精度高等特點(diǎn)，適用于小工件的組裝、搬運(yùn)[5-6]，可滿足貼合麥拉片時的精度要求；在此工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計安裝了真空吸附組件，用于吸附電池保護(hù)器，真空吸附組件由控制系統(tǒng)控制完成真空吸附電池保護(hù)器，并與工業(yè)機(jī)器人相配合，將電池保護(hù)器精確放置到指定位置。

4.1.3 觸摸屏選型

觸摸屏為系統(tǒng)操作人員提供系統(tǒng)的狀態(tài)界面以及系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)定、修改功能，操作人員可以從該界面查看系統(tǒng)當(dāng)前及歷史控制、報警和故障監(jiān)測等信息，以解決故障及報警問題，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制[7-8]。在電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面主要由觸摸屏、設(shè)備啟、停和急停按鈕等組成。其中，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)，并結(jié)合所選的PLC型號，通過對各品牌觸摸屏的參數(shù)及性能對比，決定選用臺灣威綸科技公司開發(fā)的產(chǎn)品MT8070iE，安裝在人機(jī)界面的面板上，其有一個RS-232接口和一個RS422/485接口，通過RS232串口與PLC控制器進(jìn)行通訊，操作方便、支持大多數(shù)語言的字符且能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 PLC程序設(shè)計

PLC軟件設(shè)計采用了VEINVIEW的應(yīng)用軟件包CX-programmer，主程序主要由自動程序、手動程序和報警程序組成。系統(tǒng)控制程序以梯形圖的方式實(shí)現(xiàn)，并通過RS232接口直接寫入PLC中。但由于PLC的梯形圖較長，限于篇幅，這里只介紹自動子程序的設(shè)計流程，如圖9所示。

4.2.2 觸摸屏程序設(shè)計

觸摸屏程序的設(shè)計采用了EasyBuilder800的組態(tài)軟件，主要包括變量設(shè)定和畫面創(chuàng)建[9-10]。變量設(shè)置是將觸摸屏的組態(tài)功能與 PLC 的相應(yīng) I/O 接點(diǎn)及存儲單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對 PLC參數(shù)的輸入、PLC 當(dāng)前值及報警信號向觸摸屏的輸出。畫面創(chuàng)建主要分為三個層次，各層次界面設(shè)計內(nèi)容如圖10所示。

圖中，自動貼合界面主要用于電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)的自動運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。若設(shè)備出現(xiàn)異常，如伺服電機(jī)未正常運(yùn)轉(zhuǎn)、執(zhí)行氣缸未到達(dá)指定位置等，則發(fā)出報警信號，顯示出故障點(diǎn)，從而確定異常位置。

圖9 PLC控制流程圖

設(shè)備調(diào)試界面主要用于對設(shè)備中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及三色燈進(jìn)行手動控制。在手動狀態(tài)下，按下相應(yīng)設(shè)備的調(diào)試按鍵，進(jìn)入對應(yīng)的調(diào)試界面，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的點(diǎn)動控制。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備異常時，亦可進(jìn)行故障排除。

圖10 觸摸屏界面顯示層次示意圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)電池保護(hù)器麥拉片雙面自動貼合工藝要求及功能分析，設(shè)計了電池保護(hù)器雙面自動貼合機(jī)及其控制系統(tǒng)，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并使用PLC作為主控制器，觸摸屏作為人機(jī)交互窗口，實(shí)現(xiàn)了電池保護(hù)器雙面自動貼合。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

(1) 生產(chǎn)效率高，麥拉片貼合速度為15s/個，完全可以代替人工貼合麥拉片，降低人工成本；

(2) 自動貼合麥拉片合格率高于98.95%，有效解決了人工貼合過程中經(jīng)常出現(xiàn)的麥拉片偏位、褶皺等問題；

(3) 操作簡單，人機(jī)交互性好，自動化程度高。

目前，該設(shè)備已投入工廠使用，設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用情況良好，降低了工人勞動強(qiáng)度，有效提高了電池保護(hù)器雙面貼合的生產(chǎn)效率和合格率；且控制系統(tǒng)能夠連續(xù)無故障運(yùn)行，滿足了企業(yè)高效率、高質(zhì)量的自動化生產(chǎn)加工要求，為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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