五軸聯(lián)動(dòng)激光焊系統(tǒng)在汽車鋰電池焊接中的應(yīng)用

邱　菊，王明睿，翟　靖，李培申，付園園QIU Ju，　WANG Ming-rui，　ZHAI Jing，　LI Pei-shen，　FU Yuan-yuan（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

五軸聯(lián)動(dòng)激光焊系統(tǒng)在汽車鋰電池焊接中的應(yīng)用

邱菊，王明睿，翟靖，李培申，付園園
QIU Ju，WANG Ming-rui，ZHAI Jing，LI Pei-shen，F(xiàn)U Yuan-yuan
（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

介紹了用IPG激光焊機(jī)結(jié)合五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車用鋰電池極片與電池的焊接，并實(shí)現(xiàn)了鋰電池在激光焊機(jī)上的無(wú)夾具焊接的問題，利用工控機(jī)結(jié)合板卡并與外圍PLC通訊實(shí)現(xiàn)電池的自動(dòng)定位、焊接過(guò)程中的定位糾偏、每片電池的自動(dòng)夾緊并焊接，大大提高了焊接質(zhì)量和效率并優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。

激光焊；五軸聯(lián)動(dòng)；定點(diǎn)壓緊；控制策略

0　引言

激光焊接是一個(gè)將正負(fù)極材料、隔膜和電解液等原材料化零為整的融合制造過(guò)程，是整個(gè)動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工藝。新能源汽車動(dòng)力鋰電池模組全自動(dòng)激光焊接系統(tǒng)應(yīng)用于汽車電池模組裝配線中。全自動(dòng)激光焊接設(shè)備主要通過(guò)自動(dòng)激光焊接設(shè)備的XY電控伺服工作臺(tái)帶動(dòng)聚焦系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)，并拍照，確定焊接位置，同時(shí)激光測(cè)距儀測(cè)量焊接物距，微調(diào)后進(jìn)行焊接，完成全自動(dòng)焊接作業(yè)。

目前激光焊接技術(shù)、伺服電缸、PLC控制、總線通訊等軟硬件技術(shù)發(fā)展比較成熟，能夠滿足市場(chǎng)上絕大多數(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備對(duì)高精度、柔性化的生產(chǎn)要求，對(duì)動(dòng)力鋰電池模組全自動(dòng)激光焊接設(shè)備而言亦是如此。實(shí)際中采用伺服工作臺(tái)、激光焊接頭、視覺系統(tǒng)、自動(dòng)對(duì)焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)、同軸CCD監(jiān)視系統(tǒng)等模塊相互配合工作，最終能夠穩(wěn)定、精準(zhǔn)完成激光焊接技術(shù)要求。

1　硬件總體設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)配置

鋰電池激光焊系統(tǒng)主要由：光纖激光器、激光焊接頭、自動(dòng)對(duì)焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)、CCD監(jiān)視系統(tǒng)及凈化抽風(fēng)裝置組成。

2）焊接機(jī)主要結(jié)構(gòu)

焊接運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)述：

（1）模組由產(chǎn)線運(yùn)送到焊接工位，頂起定位。

圖1　五軸聯(lián)動(dòng)焊接機(jī)結(jié)構(gòu)

（2）“大YX工作臺(tái)”帶動(dòng)“小XY工作臺(tái)” 及視覺和測(cè)高組件對(duì)第一個(gè)焊接區(qū)域進(jìn)行測(cè)高和視覺定位。

（3）“大YX工作臺(tái)” 帶動(dòng)氣動(dòng)壓緊組件對(duì)第一焊接區(qū)域的連接片進(jìn)行壓緊。

（4）“小XY工作臺(tái)” 帶動(dòng)測(cè)高組件對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行二次測(cè)高，以此調(diào)整聚焦系統(tǒng)的離焦量。

（5）“小XY工作臺(tái)”帶動(dòng)聚焦系統(tǒng)按預(yù)定的焊接軌跡進(jìn)行焊接。

圖2　固定電級(jí)具體結(jié)構(gòu)

（6）氣動(dòng)壓緊組件抬起，進(jìn)入下一焊接循環(huán)。

激光焊對(duì)焊接間隙要求較高，一般須小于0.3mm，否則會(huì)影響焊接質(zhì)量，出現(xiàn)焊接不牢，熔深不夠等焊接缺陷。

電池模組各待焊極耳平面度難以保證，焊接焦距須根據(jù)極耳平整度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

針對(duì)電池模組特點(diǎn)，定制壓頭對(duì)鋁排焊接面的兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行大面積壓緊保證壓頭都能夠壓緊到位。

同時(shí)，采用激光測(cè)距進(jìn)行引導(dǎo)跟蹤，實(shí)時(shí)檢測(cè)待焊極耳的平面度，并將此數(shù)據(jù)反饋到Z軸伺服機(jī)構(gòu)，借此調(diào)整焊接焦距。

2　軟件流程分析

激光焊接設(shè)備的具體工作過(guò)程如圖3所示。

激光焊報(bào)警及啟停，通過(guò)PLC控制數(shù)據(jù)對(duì)接，主要采用板卡IO點(diǎn)方式。

表1　激光焊設(shè)備IO點(diǎn)對(duì)應(yīng)表

圖3　激光焊工藝流程圖

續(xù)（表1）

具備以太網(wǎng)連接功能，可以傳輸編碼信號(hào)、實(shí)時(shí)功率、焊接時(shí)間、焊接完成信號(hào)和工藝參數(shù)等。

3　結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)力鋰電池模組通過(guò)高效精密的激光焊接可以大大降低接觸電阻，降低能耗，提高動(dòng)力電池的安全性、可靠性和使用壽命，必將為今后新能源汽車電池技術(shù)的發(fā)展提供重要保障。

五軸聯(lián)動(dòng)激光焊系統(tǒng)大大提高了生產(chǎn)線的效率也節(jié)省了大量工裝的制作成本，對(duì)于深入探究該工序的關(guān)鍵設(shè)備和工藝、提升車企的自動(dòng)化水平、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)安全性具有重要意義。

［1］ 李亞江.特種焊接技術(shù)應(yīng)用［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［2］ 李紹炎.自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 王純祥.焊接工裝夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

Application of five axis linkage laser welding system in automotive lithium battery welding

TP29

B

1009-0134（2016）06-0084-02

2016-04-11

邱菊（1985 -），女，遼寧人，助理工程師，本科，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化生產(chǎn)線硬件設(shè)計(jì)。