热电池天然云母条自动装配设备设计

李睿智，郝永平，张嘉易，刘志强

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

0 引言

热电池[1]又叫熔盐电池，是一种一次性使用的不可逆的化学能源，因其具有快激活、长寿命、大功率、不受环境限制[2]等特点，已成为军事领域中现代化武器十分理想的电源。随着军事上对热电池需求量的增加，手工装配的效率与精度不能满足其高需求量[3]，所以对热电池自动装配设备的设计变得尤为重要。

热电池主要由电堆、引燃条、人造云母围子、天然云母条、保温棉、电池盖和电池外壳等构成，其装配工序大致分为人造云母围子的缠绕、天然云母条的放置、保温棉的缠绕和电池盖与壳体的焊接4个部分。天然云母条在热电池中起绝缘作用，位于电堆引线与电堆之间，以防止电堆中单体电池发生短路造成电池的失效。天然云母条比引燃条宽约2 mm，厚度为0.07 mm～0.09 mm，人工装配不仅难度较大，且装配效率极低，为此本文针对一类热电池的云母条装配工艺设计了天然云母条的自动装配设备，以完成在热电池装配中的云母条装配。

1 云母条装配工艺分析

图1为热电池云母条装配模型。云母条装配前的状态如图1(a)所示，手工装配流程中，用镊子夹取天然云母条放置于人造云母围子负极引线内侧，然后立即将负极引线弯折，并用手压住天然云母条与引线，如图1(b)所示，再用少量聚酰亚胺胶带对云母条及引线进行局部固定，以防止胶带过多对热电池工作时产生影响，装配完成后的热电池模型如图1(c)。

图1 热电池云母条装配模型

在保证热电池本身性能的前提下，使用机械设备进行自动化装配对原有的手工装配流程做出以下更改：

(1)预先在天然云母条装配位置点一列与聚酰亚胺胶带持有相同特性的液态胶，然后将天然云母条贴在该处，再进行引线的弯折工作。

(2)取消引线外侧起固定作用的胶带，以减少电池工作时胶带因受热产生气泡而对热电池本身性能的影响。

2 云母条装配设备方案设计

根据云母条装配工艺，设计的装配设备由天然云母条点胶机构、送料机构、引线弯折机构和旋转工作台组成，其整体结构如图2所示。

图2 云母条装配设备整体结构 图3 云母条点胶机构 图4 云母条送料机构

2.1 云母条点胶机构

点胶部分由一个微型精密直线模组与点胶阀构成，如图3所示。微型精密直线模组可根据不同型号热电池尺寸精确控制点胶的行程。

2.2 云母条送料机构

云母条送料机构由送料轮组、云母条盘、电机、气缸组成，如图4所示。采用盘形送料结构、气动挤压切断与光电传感器[4]并行的方式来保证送料过程的连续性。电堆先通过旋转工作台将点胶后的电堆转至贴云母片的工位，当台板下方传感器检测到电堆负极引线位置时，工作台停止旋转，送料机构开始运行。当物料送至电堆底端时触发传感器，送料机构停止运行，同时气动挤压切断机构迅速伸出，完成对云母条的靠紧与切断动作。

2.3 引线弯折机构

引线弯折机构由三组气缸组成，如图5所示。电堆通过旋转工作台切换到负极引线弯折所需要的工位，弯折引线工位设置有光电传感器，用来检测负极引线的位置，以激活弯折引线工序，然后三组气缸分别在其对应的位置依照顺序对负极引线做出方向调整。

图5 引线弯折机构

2.4 旋转工作台设计与分析

旋转工作台主要负责电堆在各个工位之间的转换，工作台的旋转精度会直接影响到装配的质量。旋转台由伺服电机、气缸、电气比例阀、摩擦片等组成，如图6所示。本旋转台在旋转过程中要始终保持电堆的中心位置，只对其旋转角度进行修改，这也是区别于一般旋转工作台的地方。由于热电池电堆中单体电池片的特殊性，应尽可能地减少片与片之间的摩擦，且要保持电堆有足够的压力能够使其平稳旋转，故在电堆座与下压柱的表面贴有摩擦片，下压气缸与电气比例阀相连，以达到平稳的气流输出。旋转台所选元件型号参数见表1。

表1 旋转台所选元件型号参数

图6 旋转台

若要保证电堆的平稳旋转，电机轴输出到电堆下表面的额定扭矩Me要大于电堆下表面由摩擦所产生的扭矩M。电堆表面摩擦力F、气缸输出的正压力N和N产生的扭矩M分别为：

F=f·N.

(1)

N=p·πr2.

(2)

M=F·R.

(3)

其中：f为橡胶面的静摩擦因数，f=0.8；p为保证系统正常工作的临界气压；r为气缸半径，r=16 mm;R为电堆半径，R=8.5 mm。

在电机的额定扭矩Me=0.5 N·m的条件下气缸可输入的气压值为：

(4)

将数值代入式(4)计算得：p=0.091 4 MPa。

旋转台受力分析如图7所示，将上述载荷输入SolidWorks Simulation[5]进行有限元分析，结果如图8所示。其应力集中点位于联轴器与电堆旋转轴的连接部分，电堆旋转轴上部通过轴承保证其径向的稳定，故该部分的应力集中点对电堆的旋转运动无影响，该设计方案可行。

图7 旋转台受力分析 图8 旋转台应力分布

3 结论

本文针对热电池装配中的天然云母条装配环节，分析了自动化装配流程，提出了利用气缸、模组、传感器等元件的装配方案，并验证了旋转台在给定气压0.091 4 MPa时系统的可靠性。该设计在一定程度上减少了人工装配所带来的影响与不确定性，提高了生产效率，可为柔性体装配设计提供一定的参考。