乘用電動車電池合裝設(shè)備的研制*

邱欣華，周 亮

(湖北省機(jī)電研究設(shè)計院股份公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

為響應(yīng)世界環(huán)保的號召，解決我國能源與環(huán)保問題，國家863計劃設(shè)立“節(jié)能與新能源汽車”重大專項，其中新能源電池汽車是重要的方向之一，而新能源電池是汽車的核心部件，因此本研究是新能源汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵配套技術(shù)設(shè)備，研發(fā)設(shè)計新型的在線電池合裝設(shè)備具有十分重要的意義。

為亟待解決企業(yè)中目前存在的電池包在線合裝的工藝技術(shù)問題，利用PLC加觸摸屏等現(xiàn)代控制、操作技術(shù)等設(shè)計制造方法，把它引入設(shè)備生產(chǎn)實際中。提出以東風(fēng)日產(chǎn)公司鄭州分公司在線合裝電池設(shè)備為研究對象，通過對設(shè)備的工藝技術(shù)要求、生產(chǎn)節(jié)拍、整體布局、可行性、可靠性、安全性，電氣控制等技術(shù)進(jìn)行了研究，核心機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模型設(shè)計，得出結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安全可靠、滿足生產(chǎn)工藝節(jié)拍要求，電氣控制邏輯合理，達(dá)到了生產(chǎn)線上輔機(jī)設(shè)備符合主線運(yùn)行的目的，解決了企業(yè)生產(chǎn)的實際問題。

1 電池合裝臺車的方案研究與整體設(shè)計

1.1 設(shè)計目的

設(shè)計電池合裝設(shè)備是為了更好地滿足國內(nèi)新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)的要求，提高生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強(qiáng)度，改變傳統(tǒng)企業(yè)的大規(guī)模、密集型的手工生產(chǎn)模式。對設(shè)備進(jìn)行環(huán)境安全性、可靠性研究，是否對生產(chǎn)線中的其他工位有不明的隱患，以確保現(xiàn)場維修、操作人員的安全，考核設(shè)備的可靠性、可操作性，確保設(shè)備正常順利使用，降低設(shè)備成本[1]。

基于上述考慮，為了降低成本，課題組投入一定數(shù)量資金，研制了電池合裝設(shè)備，開展了設(shè)備生產(chǎn)的工藝技術(shù)研究、現(xiàn)場安全性研究、設(shè)備的可靠性和可操作性研究。

1.2 電池合裝設(shè)備整體設(shè)計工藝

通過對企業(yè)現(xiàn)場電池合裝的特點的研究，總結(jié)設(shè)備工藝技術(shù)要求如下。

(1) 電池包是高危部件，易燃易爆，必須由電池包放置在電池托盤上隨料車由AGV送到線邊，通過上料輸送輥道實現(xiàn)帶有電池包托盤輸送上合裝臺車。

(2) 由于車體在底盤線體裝配是混裝，有汽油車和電動車，首先要對車體進(jìn)行車輛識別，只有檢測到電動車體才啟動合裝設(shè)備，如產(chǎn)生誤判也不會產(chǎn)生安全隱患。

(3) 車體在裝配底盤線上的吊具的擺放位置不唯一性，X、Y方向誤差在±60 mm，且主線體勻速隨動，要求設(shè)計主線體測速機(jī)構(gòu)，合裝設(shè)備上設(shè)計編碼器，實現(xiàn)合裝臺車在變頻電機(jī)作用下沿軌道X方向與主線體同步隨動。

(4)Z方向在變頻電機(jī)、絲杠螺母副的作用下，實現(xiàn)剪叉式升降機(jī)升降功能，在升降機(jī)平臺面上設(shè)計雙層浮動裝置，實現(xiàn)電池包在X、Y方向微移動，消除車體在X、Y方向的放置誤差在±60 mm，從而達(dá)到電池包與主線車體的隨行同步，準(zhǔn)確定位，人工憑借系統(tǒng)工具順利連接、緊固螺栓，實現(xiàn)電池包在裝配底盤線上同步在線合裝到車體上。

(5) 合裝完畢，合裝車帶著空托盤下降，合裝臺車將空托盤輸送到下料輸送輥道，下料輸送輥道將空托盤進(jìn)一步推送到等待在下料輸送輥道線邊的料車上，料車由AGV帶離，實現(xiàn)下一循環(huán)。

1.2.1 電池合裝裝置合裝工藝結(jié)構(gòu)

電池合裝臺車舉升托盤電池包與主線車體定位合裝工藝如圖1所示。

圖1 電池合裝裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 電池包合裝裝配工藝步驟

(1) 首先合裝舉升裝置與車體定位及電池包與車體定位。

(2) 合裝工位電池包與車體通過主要螺栓連接。

(3) 合裝臺車下降，電池包剩余螺栓與車體連接。

1.3 電池合裝設(shè)備整體設(shè)計要求

①設(shè)備要求結(jié)構(gòu)緊湊、簡潔、安裝、操作、維護(hù)維修方便，安全可靠，噪音低且環(huán)保；②設(shè)備隨行速度、可控可調(diào)，與主線同步；③車型識別準(zhǔn)確，出現(xiàn)誤操作可控；④合裝臺車啟停與上下輸送輥筒線對接位置準(zhǔn)確、可靠；⑤設(shè)備實現(xiàn)與主線信號連鎖；⑥電氣采用PLC加觸摸屏控制，變頻電機(jī)驅(qū)動，布線簡潔、美觀，維護(hù)方便，安全穩(wěn)定可靠；⑦氣動系統(tǒng)中的氣缸速度及壓力可調(diào)、氣管布置簡潔美觀。

2 電池合裝設(shè)備整體布局及設(shè)計

據(jù)電池合裝設(shè)備設(shè)計的目的與工藝要求及集配區(qū)料車運(yùn)行的路線，確認(rèn)托盤、電池包從主線左側(cè)上下線，確定上、下料輥筒輸送線機(jī)構(gòu)、料車推擋機(jī)構(gòu)布置在主線左側(cè)，合裝臺車布局在主線正下方距地面400 mm操作塌臺平面的軌道上，軌道面與塌臺平面共面。

本研究主要從設(shè)備的核心部件進(jìn)行設(shè)計：①合裝臺車及附件；②上料輥筒輸送線機(jī)構(gòu)；③下料輥筒輸送線機(jī)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)等。電池合裝設(shè)備整體布局如圖2所示。

圖2 電池合裝設(shè)備整體布局圖1.合裝臺車及附件 2.上料輥筒輸送線機(jī)構(gòu) 3.下料輥筒輸送線機(jī)構(gòu) 4.料車推擋機(jī)構(gòu) 5.料車 6.托盤 7.電氣控制系統(tǒng)

2.1 電池合裝臺車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

合裝臺車由車體上部雙層浮動定位系統(tǒng)及輥道對接輸送系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動、絲杠螺母副剪叉式升降機(jī)，車體下部行走系統(tǒng)及軌道等組成，實現(xiàn)電池包托盤在線隨行舉升合裝功能[2]。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電池合裝臺車結(jié)構(gòu)圖1.車體下部行走系統(tǒng) 2.剪叉式電動、絲杠螺母升降機(jī) 3.車體上部雙層浮動定位系統(tǒng) 4.托盤 5.電池包

2.1.1 雙層浮動定位系統(tǒng)及輥道對接輸送系統(tǒng)設(shè)計

(1) 為了消除車體在X、Y方向的放置誤差在±60 mm，從而達(dá)到電池包與主線車體的隨行同步，準(zhǔn)確定位。我們首先通過實驗在雙層浮動板上安裝直線導(dǎo)軌和滑塊來實現(xiàn)X、Y方向的微移動。實驗結(jié)果表明，車體在吊具上由四個支點支撐，但四個支點相對輸送軸線中心線不對稱性，導(dǎo)致車體前后姿態(tài)在吊具上相對輸送軸線中心線正反偏移，而直線導(dǎo)軌和滑塊的運(yùn)動是剛性的X、Y方向運(yùn)動，缺少一個旋轉(zhuǎn)方向自由度運(yùn)動，浮動定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致螺栓孔位錯位無法實現(xiàn)電池包與車體連接。

基于上述實驗，改用上下雙層牛眼萬向球代替直線導(dǎo)軌滑塊，實現(xiàn)了X、Y方向直線運(yùn)動和Z方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，解決了臺車、托盤與車體的浮動定位，順利實現(xiàn)電池包與車體的合裝。

(2) 為了讓載有電池包的托盤自動上料到合裝臺車上，實驗采用推送方式推托盤上合裝臺車，理論上可行，但要求上料輥筒輸送線輥筒面與臺車牛眼萬向球面高度一致要求非常高，增加了加工工藝的高額成本，且萬向球磨損嚴(yán)重，方案不可取。我們采用氣囊升降式電動輥筒輸送臺，電動輥筒具有正反輸送功能，當(dāng)氣囊升高時與上線輸送輥筒對接，電動輥筒正轉(zhuǎn)將載有電池包的托盤輸送到合裝臺車上，氣囊下降時、實現(xiàn)載有電池包托盤重量由萬向球組支撐而達(dá)到浮動功能；電池包合裝完成后，氣囊再次升高舉升空托盤，電動輥筒反轉(zhuǎn)將空托盤輸送到下料輥筒輸送線，實現(xiàn)空托盤的下線，實驗證明此方案可行。

(3) 基于上述，車體上部由上層基板鎖定機(jī)構(gòu)，上、下層基板，氣囊升降式電動輥筒輸送臺，上層、下層萬向球浮動組件，隨行車體定位機(jī)構(gòu)，上層基板浮動回中裝置等組成，實現(xiàn)電池包托盤承載，在X、Y方向位移和Z方向旋轉(zhuǎn)微調(diào)功能[3]。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電池合裝臺車車體上部及附件結(jié)構(gòu)圖1.上層基板鎖定機(jī)構(gòu) 2.下層基板 3.上層基板 4.氣囊升降式電動輥筒輸送臺 5.上層萬向球浮動組件 6.下層萬向球浮動組件 7.隨行車體定位機(jī)構(gòu) 8.上層基板浮動回中裝置

2.1.2 剪叉式電動、滾珠絲杠螺母升降機(jī)

剪叉式電動、滾珠絲杠螺母升降機(jī)主要由底架軌道，防塵罩，剪臂，滾珠絲杠螺母副，液壓防墜落保險裝置，減速電機(jī)，上架軌道等組成，實現(xiàn)電池托盤Z方向的升降運(yùn)動功能。剪叉式電動、絲杠螺母升降機(jī)具有升降速度可調(diào)，定位準(zhǔn)確，載重量大，起落平穩(wěn)等特點，設(shè)有超載保護(hù)、斷電保護(hù)、漏電保護(hù)裝置、液壓防墜落保險等多重安全保險[4-5]。

滾珠絲杠、螺母的工況受力分析：

①F絲=(T+M臺+M托+M臂/2)×H行/S絲×0.6

式中：F絲為絲杠、螺母受力；T為載荷(電池)；M臺為臺面質(zhì)量；M托為托盤質(zhì)量；M臂為臂架質(zhì)量；H行為垂直行程；S絲為絲杠行程；T=430 kg，M臺=200 kg，M托=120 kg，M臂=200 kg，H行=0.85 m，S絲=0.425 m。

F絲=(T+M臺+M托+M臂/2)×H行/S絲×0.6

=283 33(N)

②T出=M電×I=F絲′×L/2×л×k

F絲′=T出*2×л×k/L

式中：T出為減速電機(jī)輸出扭矩；M電為電機(jī)扭矩；I為減速比；F絲為絲杠推力；L為絲杠導(dǎo)程;k為系數(shù)。

選型RF57DRS132S4-BE11減速電機(jī)：

M電=295(Nm)；I= 7.97；k=0.9

選型R63-10T6-FSI-705-900絲杠的動載荷：

F動=92 580(N)；L=10 mm

F絲′=T出×2×л×0.9/L =295×7.97×2×3.14×0.9×

1000/10=1 329 544(N)

F絲

剪叉式電動、絲桿螺母升降機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 剪叉式電動、絲桿螺母升降結(jié)構(gòu)圖1.底架軌道 2.防塵罩 3.剪臂 4.絲杠螺母副 5.液壓防墜落保險裝置 6.減速電機(jī) 7.上架軌道

2.1.3 合裝臺車車體下部及附件設(shè)計

車體下部主要由軌道及附件，車架及附件，變頻電機(jī)傳動行走機(jī)構(gòu)，防撞報警機(jī)構(gòu)等組成，是合裝臺車的承載、行走部件，實現(xiàn)臺車在X方向位移與主線同步功能[6]。

2.2 上料輥筒輸送線設(shè)計

上料輥筒輸送線在上線的左側(cè)初始端，無人工操作工位干涉，可以設(shè)計上料輥筒與合裝車的電動輥筒銜接間隙在200 mm，便于電池托盤的銜接。

上料輥筒輸送線主要由機(jī)架及附件，減速電機(jī)、鏈輪鏈條傳動系統(tǒng)，托盤阻擋機(jī)構(gòu)，鏈輪輥筒組等組成[7]。實現(xiàn)電池包托盤承載、輸送，并與合裝臺車對接功能。

2.3 下料輥筒輸送線設(shè)計

(1) 下料輥筒輸送線在合裝臺車的前方左側(cè)，正好前方左側(cè)有人工緊固電池包螺栓的工位通道，必須避讓出800 mm寬通道，這樣合裝臺車上的空托盤就無法傳送到下料輥筒線上，輥筒線須采用開合結(jié)構(gòu)方式。我們采用水平伸縮平移機(jī)構(gòu)，上層帶電動輥筒，但成本較高，最后采用前端電動輥筒組繞固定軸旋轉(zhuǎn)折疊的開合方式，達(dá)到性價比較高的設(shè)計方案。

當(dāng)有人工操作時，電動輥筒組在氣缸作用下擺動折疊，讓出操作空間通道；當(dāng)要承接合裝臺車上的空托盤時，人員不在此區(qū)域，人員在此區(qū)域，擺動機(jī)構(gòu)不動作且報警提示，氣缸推動電動輥筒組擺臺與合裝車上的電動輥筒組水平對接，實現(xiàn)平穩(wěn)接料。

(2) 下料輥筒輸送線主要由機(jī)架及附件，減速電機(jī)、鏈輪鏈條傳動系統(tǒng)，電動輥筒接料擺動開合機(jī)構(gòu)，托盤阻擋機(jī)構(gòu)，鏈輪輥筒組，托盤推送機(jī)構(gòu)等組成。實現(xiàn)承接電池合裝車上空托盤，輸送返回料車的功能。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 下料輥筒輸送線結(jié)構(gòu)圖1.機(jī)架及附件 2.電機(jī)鏈條傳動系統(tǒng) 3.電動輥筒接料擺動機(jī)構(gòu) 4.托盤阻擋機(jī)構(gòu) 5.鏈輪輥筒組 6.托盤推送機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣控制系統(tǒng)組成

整套設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)由可編程序控制器、伺服電機(jī)系統(tǒng)和觸摸屏人機(jī)界面等組成。可編程序控制器是整個電氣控制系統(tǒng)的核心器件，它能夠接受控制指令，控制整套設(shè)備的運(yùn)行[4]。變頻電機(jī)系統(tǒng)是精準(zhǔn)的運(yùn)動執(zhí)行部件，能夠在可編程序控制器的控制下，實現(xiàn)合裝臺車隨行主線以及舉升載有電池托盤的控制。觸摸屏具有良好的人機(jī)對話對話功能，接受操作者的操作指令和指示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便操作者的使用。系統(tǒng)組成原理如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)組成原理圖

3.2 電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)中的可編程序控制器要完成設(shè)備的運(yùn)行控制工作，就需要為之編寫一整套的控制軟件，在控制軟件的控制處理之下，系統(tǒng)的硬件才能完成設(shè)備的運(yùn)行控制工作[8]。

根據(jù)工藝技術(shù)要求，控制系統(tǒng)需要同時控制托盤上下輥筒輸送系統(tǒng)，合裝臺車與主線同步行走系統(tǒng)，合裝臺車與車體浮動定位舉升合裝系統(tǒng)，才能到達(dá)電池包的裝配條件和工藝技術(shù)要求。而且，由于是混裝線，所以控制系統(tǒng)還需要兼有判斷不同型號車體有差別的識別。軟件工作流程如圖8所示。

圖8 軟件工作流程圖

4 安裝、調(diào)試、投產(chǎn)

設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試后投入生產(chǎn)，設(shè)備各項參數(shù)指標(biāo)完全滿足甲方生產(chǎn)的工藝要求。現(xiàn)場照片如圖9所示。

圖9 設(shè)備現(xiàn)場

5 結(jié) 語

主要對電池包在線安裝在車體的工藝分析，對技術(shù)設(shè)計過程進(jìn)行了總結(jié)，著重從設(shè)備整體布局，合裝臺車中雙層浮動定位機(jī)構(gòu)、與車體連接關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計，上、下輥筒輸送線關(guān)鍵技術(shù)巧妙設(shè)計，及控制系統(tǒng)的選型、布局設(shè)計，安裝調(diào)試等進(jìn)行了介紹。該設(shè)計方案在東風(fēng)日產(chǎn)公司鄭州分公司得到了很好的實際應(yīng)用，希望對于其它企業(yè)類似工作案例起到參考作用。

通過了1年多的生產(chǎn)實踐證明：設(shè)備布局合理，結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠，維修率低，控制與監(jiān)控功能齊全，操作簡單，使用安全等得以體現(xiàn)，解決了生產(chǎn)實際問題。設(shè)備符合生產(chǎn)進(jìn)度，滿足電動乘用車的年生產(chǎn)目標(biāo)。與國內(nèi)同行業(yè)的設(shè)備比較處于領(lǐng)先水平，極大地提高了企業(yè)的市場競爭力。