熱電池天然云母條自動(dòng)裝配設(shè)備設(shè)計(jì)

李睿智，郝永平，張嘉易，劉志強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

0 引言

熱電池[1]又叫熔鹽電池，是一種一次性使用的不可逆的化學(xué)能源，因其具有快激活、長(zhǎng)壽命、大功率、不受環(huán)境限制[2]等特點(diǎn)，已成為軍事領(lǐng)域中現(xiàn)代化武器十分理想的電源。隨著軍事上對(duì)熱電池需求量的增加，手工裝配的效率與精度不能滿足其高需求量[3]，所以對(duì)熱電池自動(dòng)裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)變得尤為重要。

熱電池主要由電堆、引燃條、人造云母圍子、天然云母條、保溫棉、電池蓋和電池外殼等構(gòu)成，其裝配工序大致分為人造云母圍子的纏繞、天然云母條的放置、保溫棉的纏繞和電池蓋與殼體的焊接4個(gè)部分。天然云母條在熱電池中起絕緣作用，位于電堆引線與電堆之間，以防止電堆中單體電池發(fā)生短路造成電池的失效。天然云母條比引燃條寬約2 mm，厚度為0.07 mm～0.09 mm，人工裝配不僅難度較大，且裝配效率極低，為此本文針對(duì)一類熱電池的云母條裝配工藝設(shè)計(jì)了天然云母條的自動(dòng)裝配設(shè)備，以完成在熱電池裝配中的云母條裝配。

1 云母條裝配工藝分析

圖1為熱電池云母條裝配模型。云母條裝配前的狀態(tài)如圖1(a)所示，手工裝配流程中，用鑷子夾取天然云母條放置于人造云母圍子負(fù)極引線內(nèi)側(cè)，然后立即將負(fù)極引線彎折，并用手壓住天然云母條與引線，如圖1(b)所示，再用少量聚酰亞胺膠帶對(duì)云母條及引線進(jìn)行局部固定，以防止膠帶過多對(duì)熱電池工作時(shí)產(chǎn)生影響，裝配完成后的熱電池模型如圖1(c)。

圖1 熱電池云母條裝配模型

在保證熱電池本身性能的前提下，使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化裝配對(duì)原有的手工裝配流程做出以下更改：

(1)預(yù)先在天然云母條裝配位置點(diǎn)一列與聚酰亞胺膠帶持有相同特性的液態(tài)膠，然后將天然云母條貼在該處，再進(jìn)行引線的彎折工作。

(2)取消引線外側(cè)起固定作用的膠帶，以減少電池工作時(shí)膠帶因受熱產(chǎn)生氣泡而對(duì)熱電池本身性能的影響。

2 云母條裝配設(shè)備方案設(shè)計(jì)

根據(jù)云母條裝配工藝，設(shè)計(jì)的裝配設(shè)備由天然云母條點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、引線彎折機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 云母條裝配設(shè)備整體結(jié)構(gòu) 圖3 云母條點(diǎn)膠機(jī)構(gòu) 圖4 云母條送料機(jī)構(gòu)

2.1 云母條點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)

點(diǎn)膠部分由一個(gè)微型精密直線模組與點(diǎn)膠閥構(gòu)成，如圖3所示。微型精密直線模組可根據(jù)不同型號(hào)熱電池尺寸精確控制點(diǎn)膠的行程。

2.2 云母條送料機(jī)構(gòu)

云母條送料機(jī)構(gòu)由送料輪組、云母條盤、電機(jī)、氣缸組成，如圖4所示。采用盤形送料結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)擠壓切斷與光電傳感器[4]并行的方式來(lái)保證送料過程的連續(xù)性。電堆先通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)將點(diǎn)膠后的電堆轉(zhuǎn)至貼云母片的工位，當(dāng)臺(tái)板下方傳感器檢測(cè)到電堆負(fù)極引線位置時(shí)，工作臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)，送料機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行。當(dāng)物料送至電堆底端時(shí)觸發(fā)傳感器，送料機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，同時(shí)氣動(dòng)擠壓切斷機(jī)構(gòu)迅速伸出，完成對(duì)云母條的靠緊與切斷動(dòng)作。

2.3 引線彎折機(jī)構(gòu)

引線彎折機(jī)構(gòu)由三組氣缸組成，如圖5所示。電堆通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)切換到負(fù)極引線彎折所需要的工位，彎折引線工位設(shè)置有光電傳感器，用來(lái)檢測(cè)負(fù)極引線的位置，以激活彎折引線工序，然后三組氣缸分別在其對(duì)應(yīng)的位置依照順序?qū)ω?fù)極引線做出方向調(diào)整。

圖5 引線彎折機(jī)構(gòu)

2.4 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要負(fù)責(zé)電堆在各個(gè)工位之間的轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)精度會(huì)直接影響到裝配的質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)臺(tái)由伺服電機(jī)、氣缸、電氣比例閥、摩擦片等組成，如圖6所示。本旋轉(zhuǎn)臺(tái)在旋轉(zhuǎn)過程中要始終保持電堆的中心位置，只對(duì)其旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行修改，這也是區(qū)別于一般旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的地方。由于熱電池電堆中單體電池片的特殊性，應(yīng)盡可能地減少片與片之間的摩擦，且要保持電堆有足夠的壓力能夠使其平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，故在電堆座與下壓柱的表面貼有摩擦片，下壓氣缸與電氣比例閥相連，以達(dá)到平穩(wěn)的氣流輸出。旋轉(zhuǎn)臺(tái)所選元件型號(hào)參數(shù)見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)臺(tái)所選元件型號(hào)參數(shù)

圖6 旋轉(zhuǎn)臺(tái)

若要保證電堆的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)軸輸出到電堆下表面的額定扭矩Me要大于電堆下表面由摩擦所產(chǎn)生的扭矩M。電堆表面摩擦力F、氣缸輸出的正壓力N和N產(chǎn)生的扭矩M分別為：

F=f·N.

(1)

N=p·πr2.

(2)

M=F·R.

(3)

其中：f為橡膠面的靜摩擦因數(shù)，f=0.8；p為保證系統(tǒng)正常工作的臨界氣壓；r為氣缸半徑，r=16 mm;R為電堆半徑，R=8.5 mm。

在電機(jī)的額定扭矩Me=0.5 N·m的條件下氣缸可輸入的氣壓值為：

(4)

將數(shù)值代入式(4)計(jì)算得：p=0.091 4 MPa。

旋轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析如圖7所示，將上述載荷輸入SolidWorks Simulation[5]進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖8所示。其應(yīng)力集中點(diǎn)位于聯(lián)軸器與電堆旋轉(zhuǎn)軸的連接部分，電堆旋轉(zhuǎn)軸上部通過軸承保證其徑向的穩(wěn)定，故該部分的應(yīng)力集中點(diǎn)對(duì)電堆的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)影響，該設(shè)計(jì)方案可行。

圖7 旋轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析 圖8 旋轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文針對(duì)熱電池裝配中的天然云母條裝配環(huán)節(jié)，分析了自動(dòng)化裝配流程，提出了利用氣缸、模組、傳感器等元件的裝配方案，并驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)臺(tái)在給定氣壓0.091 4 MPa時(shí)系統(tǒng)的可靠性。該設(shè)計(jì)在一定程度上減少了人工裝配所帶來(lái)的影響與不確定性，提高了生產(chǎn)效率，可為柔性體裝配設(shè)計(jì)提供一定的參考。