热电池云母片包裹系统设计.pdf

第卷 第期 年 月沈 阳 理 工 大 学 学 报 收稿日期:基金项目:国防技术基础科研项目()辽宁省应用基础研究计划项目(/)作者简介:刘川瑞()男硕士研究生通信作者:曾鹏飞()男副教授研究方向为数字化制造与智能制造、工业与制造系统工程等文章编号:()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(.沈阳理工大学 机械工程学院沈阳 .辽宁省先进制造技术与装备重点实验室沈阳.山西江阳兴安民爆器材有限公司太原)摘 要:为实现热电池的自动化装配提高装配效率以热电池中的“号电池”作为装配对象设计云母片包裹系统 该系统主要由引线弯折机构、云母片装配机构和电堆输送机三部分构成 引线弯折机构通过两次弯折实现对电堆两条引线的 弯折云母片装配机构采用摩擦轮的方式进行云母片单片送料通过气缸带动包裹手完成云母片包裹动作用 软件进行动力学分析验证其结构的可靠性电堆输送机构实现电堆输送功能并提供装配工位通过 软件对主要受载构件进行静力分析 计算和仿真结果表明:吸附包裹机构装配过程中加速度峰值小于电堆装配允许值电堆底座结构中应力峰值为.远小于材料屈服极限 底座位移为.位移较小不会影响装配精度各部分机构均满足装配需求包裹系统具有可行性关 键 词:热电池云母片包裹系统仿真分析中图分类号:文献标志码:./.(.):“.”.:热电池是一种不可逆的化学能源具有激活速度快、输出功率高、储存寿命长和环境适应性强等优点 广泛应用于智能弹药、炸弹、导弹等领域 如何提升热电池装配效率一直是各国研究的重点 美国的 和 公司、日本的 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 等采用等离子喷涂法成功制备了薄尺寸的正极片通过优化热电池结构提升其装配效率 公司的研究人员申请了“热电池装配以及相关方法”的专利 重庆师范大学 年研究设计了一套热电池智能辅助装配系统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“号电池”作为装配对象设计热电池云母片包裹系统 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 所示 首先电堆完成叠片此时引线与电池端面平行如图()所示然后将引线弯折至与电堆轴线平行如图()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()所示图 云母片装配工艺 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 所示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.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)如图()所示完成一次弯折后由电机带第 期 刘川瑞等:热电池云母片包裹系统设计图 云母片包裹系统总体结构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()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()所示图 引线弯折过程及工作原理.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.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 所示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图 云母片供料机构.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 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图 吸附包裹机构 )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 所示图 包裹手、吸附包裹手结构 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沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷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 所示表 云母片包裹压力实验结果压力/粘合长度/回弹情况.有明显回弹.有细微回弹.无明显回弹.无明显回弹 由表 可知满足装配要求的压力为.为保证云母片装配牢靠包裹手在电堆表面施加的压力 实际取.包裹手底部的弹簧弹力均应小于 选用线径为.、中心直径为.、有效圈数为 的钢材质弹簧弹簧弹性系数 为()式中:为 剪 切 弹 性 模 量 (钢 丝 )为线径 为有效圈数为中心直径由式()计算得到 ./弹簧压缩量 计算式为()由式()计算得到 .取整为 其中预紧压缩量为 装配压缩量为 施加在电堆叠片各表面之间的正压力 计算式为()式中 为静摩擦系数取.气缸的实际输出力 实故取 实气缸理论输出力 理与气缸负载率 的关系为 实理()理()式中:为气缸内径 为工作压强 为阻性负载取 经计算理.故气缸的工作压力应大于.考虑气缸所需行程确定下压气缸型号气缸参数如表 所示表 下压气缸参数气缸型号工作气压/标准缸径/行程/工作压力/.)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 所示的广义坐标系 将包裹机构简化为质点 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 简化运动模型 以质心 为原点建立广义坐标系取 的位移 为广义坐标建立振动微分方程为 ()式中:为包裹机构质量 为 的位移 为阻尼系数/系统的固有频率 取 则有 ()振动系统的通解形式为 ()()式中:为振幅为自由振动的圆频率 取初始状态 时的 得出振动方程初始振幅 及相位 为()()()第 期 刘川瑞等:热电池云母片包裹系统设计由此包裹手的位移函数为 ()()实 ()()式中:为机构运动时间为包裹机构在装配过程中的受力实为气缸实际施加在包裹机构上的压力 为包裹机构过盈配合所产生的摩擦力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 软件对包裹机构进行动力学分析将包裹机构简化为如图 所示的模型 由于、号包裹手结构、动作相同为提高计算效率针对 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()所示吸附手加速度 时间曲线如图()所示图 简化分析模型图 运动仿真结果.电堆输送机构设计与仿真.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 所示图 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()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()所示 底座设计为内螺纹结构可将其固定在传送带上.电堆底座静力学仿真与分析由表 中选用的下压气缸工作压力为 表明施加在电堆上的载荷为 底座所承受的载荷同为 通过 软件进行静力学分析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 定义为静力在机构各受力面均以 作为输入值施加载荷得到电堆底座静力分析结果如图 所示由图()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 在电堆沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷图 电堆底座静力分析结果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.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()可知承台与电堆接触表面最大位移为.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 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参考文献:李长江张鸿汤胜等.热电池常用绝热材料的发展与展望.云南化工():.:.():.():.:.():.:.范京春.热电池智能辅助装配系统及其 方 法:.濮良贵陈国定吴立言等.机械设计.北京:高等教育出版社:.路云军裴安欣.多组平行气缸在过滤机上应用浅析.工业仪表与自动化装置():.张策.机械动力学.北京:高等教育出版社:.万俟昊天向阳夏雪宝等.过盈配合面的接触刚度和接触阻尼计算研究.船海工程():.邱群先赵雯姝.基于 的压紧机构仿真与故障定位研究.机械传动():.周忠仁俞成涛周翔宇等.新型护理床椅的背板机构设计及分析.机械传动():.(责任编辑:徐淑姣)第 期 刘川瑞等:热电池云母片包裹系统设计