CN102189328A - 全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其包括上料机械手、转盘、转接片送料机构、下料机械手和控制所有元件运作的控制器，转盘在圆周上均匀设置有上料单元、转接片与电芯组合单元、超声波焊接单元和下料单元，每一个单元对应一个转盘夹具。与现有技术相比，本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机通过结合转盘式机械结构和超声波焊接实时监控技术，实现了锂离子电池电芯极耳与转接片的全自动一次性超声波焊接，在提高生产效率的同时，保证了产品的一致性，适用范围和应用前景相当广阔。

Description

全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机

技术领域

本发明涉及极耳焊接装置，尤其是一种用于锂离子电池的多层电芯极耳与转接片装配的全自动超声波焊接机。

背景技术

大容量锂离子电池一般包括多个电芯，根据设计不同，电芯的数量不同。由于大容量锂离子电池要求很高的输出功率，所以电池工作时，内部的电流较大。为了满足电池的过流能力，每一个电芯都自带极耳，根据品种不同，电芯自带的极耳数量也不同。多层电芯的组合就使一个电池内的电芯极耳有多层，工艺上一般采用超声波焊接将这些极耳与电池正负极的转接片焊接在一起。

超声波金属焊接原理是利用超声波（频率超过16KHz）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法，金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将振动能量转变为工件间的摩擦能、形变能及有限的温升，接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接，因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。

对于大容量锂离子电池，为了保证过流能力，要求电芯极耳与转接片的连接区域较大。但是，传统的焊接方式由于选用小焊印面积的焊头，需要焊接至少2次，造成生产效率低下。另外，现有的超声波焊接多为人工操作，焊接位置的一致性很难保证，且焊接品质全由人为经验判定，经常造成虚焊的误判和漏判。如何避免这些问题，成为锂离子电池工业自动化中的一个难点。因此，多层极耳的焊接已成为锂离子电池生产中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，以实现极耳与转接片的高效、准确焊接。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其包括上料机械手、转盘、转接片送料机构、下料机械手和控制所有元件运作的控制器，转盘在圆周上均匀设置有上料单元、转接片与电芯组合单元、超声波焊接单元和下料单元，每一个单元对应一个转盘夹具，上料机械手将待焊接的电芯从上料位置移入转盘的上料单元，转盘和转接片送料机构分别将电芯和转接片送到转接片与电芯组合单元，转接片与电芯组合单元将电芯极耳夹在转接片中间，超声波焊接单元完成电芯极耳和转接片的焊接，下料机械手将焊接好的电芯放入下料位置。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，还包括对待焊接电芯进行定位的电芯上料定位机构，电芯上料定位机构包括侧定位块、定位夹子、夹子气缸和夹子限位块，侧定位块和定位夹子配合对电芯的三个侧面进行定位，夹子气缸控制定位夹子的开闭，两个夹子限位块设于定位夹子的夹紧方向上，其位置能够根据电芯的大小进行调节，夹子限位块决定了电芯定位的松紧程度。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述上料机械手包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机，以及设置于X轴伺服电机上的旋转气缸和电芯夹手，三个伺服电机可以使旋转气缸和电芯夹手在转盘的上料单元和电芯上料位置之间准确移动，旋转气缸控制电芯夹手旋转而保证电芯的朝向与转盘的上料单元相匹配。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述转接片送料机构设置有转接片送料储存单元和托盘下料储存单元，两者分别通过送料滑轨汽缸和下料滑轨汽缸与吸盘滑轨汽缸相连，送料滑轨汽缸和下料滑轨汽缸上分别设置有上料托盘托手和下料托盘托手，吸盘滑轨汽缸上设置有吸盘汽缸，吸盘汽缸与托盘吸嘴连接，吸盘滑轨汽缸一侧设置有托盘顶紧汽缸和转接片夹手伺服电机，转接片夹手伺服电机与转接片夹手相连。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述转接片与电芯组合单元包括转接片托台、滑轨气缸、两对吸嘴气缸和两对吸嘴，滑轨气缸设置于转接片托台的底部，吸嘴气缸设置于滑轨气缸上，两对吸嘴分别与两对吸嘴气缸连接。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述转盘夹具包括极耳夹子、伸进汽缸和夹紧气缸，伸进汽缸和夹紧气缸与极耳夹子连接，分别控制极耳夹子的移动和开闭。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述超声波焊接单元包括铜超声波焊接单元和铝超声波焊接单元。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述超声波焊接单元包括焊头、焊座、压力和位移控制单元、振动子和输出信号接口，焊头采用悬挂式，焊座位于焊头的下方，压力和位移控制单元与焊头连接，可按设定的压力和位移控制焊头移动，振动子与焊头连接，能够按设定的参数带动焊头发振，输出信号接口将超声波焊接的参数发送给控制器，控制器按设定的规格自动判断焊接质量。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，所述下料机械手包括下料伺服电机、旋转汽缸和电芯夹手，下料伺服电机使旋转汽缸和电芯夹手在转盘的下料单元和下料位置之间准确移动，旋转气缸控制电芯夹手旋转而保证电芯按照所需朝向下料。

作为本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的一种改进，还包括从下料机械手接收电芯的下料定位夹具，下料定位夹具包括夹具托台和开设于夹具托台上的定位槽，下料机械手将焊接好的电芯放置于夹具托台上的定位槽中。

与现有技术相比，本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机通过结合转盘式机械结构和超声波焊接实时监控技术，实现了锂离子电池电芯极耳与转接片的全自动一次性超声波焊接，在提高生产效率的同时，保证了产品的一致性，适用范围和应用前景相当广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机及其有益技术效果进行详细说明。

图1是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的焊接工艺示意图。

图2是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的整机结构示意图。

图3是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的电芯上料定位机构示意图。

图4是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的上料机械手结构示意图。

图5是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的转接片送料机构示意图。

图6是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的转接片与电芯组合单元及转盘夹具的结构示意图。

图7是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的超声波焊接单元的结构示意图。

图8是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的下料机械手的结构示意图。

图9是本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机的下料定位夹具的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，锂离子电芯多层极耳的焊接工艺为：将电芯的多层极耳2夹在转接片3中间，焊头1下压焊座4，超声波发生器发震一定时间，即可完成电芯极耳2与转接片3的焊接。

请参阅图2，本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机包括：电芯上料定位机构6、上料机械手5、转盘15、转接片送料机构9、下料机械手12、下料定位夹具14和控制所有元件运作的控制器（图未示）。其中，转盘15在圆周上均匀设置有上料单元11、转接片与电芯组合单元10、铜超声波焊接单元17、铝超声波焊接单元16和下料单元13，每一个单元对应一个转盘夹具。使用本发明焊接极耳的过程为：电芯8由进料拉带7输送到电芯上料定位机构6，电芯上料定位机构6对电芯8进行定位，之后上料机械手5将电芯8抓起放入转盘15的上料单元11；转盘15顺时针旋转一个工位将电芯8送到转接片与电芯组合单元10，同时，转接片送料机构9也将转接片送至转接片与电芯组合单元10，转接片与电芯组合单元10将电芯极耳2夹在转接片3中间；转盘15再依次旋转将电芯8与转接片3送到铜超声波焊接单元17和铝超声波焊接单元16，使超声波焊接单元完成阳极转接片和阴极转接片的超声波焊接；最后转盘15旋转将焊接好的电芯52（参见图9）送到下料单元13，由下料机械手12将焊接好的电芯52放入下料定位夹具14，完成整个焊接流程。

请参阅图2和图3，本发明的电芯上料定位机构6包括侧定位块20、定位夹子21、夹子限位块19和夹子气缸18。其中，侧定位块20面向进料拉带7，电芯8由进料拉带7输送到电芯上料定位机构6后，其侧面即被侧定位块20固定。定位夹子21的两个夹片分别平行于进料拉带7的两侧边，定位夹子21的夹紧和张开由夹子气缸18控制。为了避免定位夹子21夹得过紧对电芯8造成损害，定位夹子21的滑动条上设置有两个夹子限位块19，夹子限位块19的位置能够根据电芯8的大小进行调节，在保证电芯8被夹紧固定的同时，避免对电芯8的损伤。当进料后的电芯8的侧面被侧定位块20固定后，夹子气缸18即拉动定位夹子21将电芯8的左右侧面夹紧完成定位，夹子限位块19的位置决定了电芯8定位后的松紧程度。

请参阅图2和图4，本发明的上料机械手5包括X轴伺服电机23、Y轴伺服电机24、Z轴伺服电机22和设置于X轴伺服电机23上的旋转气缸25、电芯夹手26。X轴伺服电机23、Y轴伺服电机24和Z轴伺服电机22可以使旋转气缸25和电芯夹手26在转盘15的上料单元11和电芯上料定位机构6之间准确移动。当电芯8在电芯上料定位机构6上定位后，电芯夹手26将电芯8抓起，旋转气缸25控制电芯夹手26旋转一定角度使电芯8的朝向与转盘15的上料单元11相匹配，在三个伺服电机的控制下，旋转气缸25和电芯夹手26移动到上料单元11，电芯夹手26松开，从而将电芯8放入上料单元11上。之后，转盘15顺时针旋转一个工位，将电芯8送到转接片与电芯组合单元10。

请参阅图5，转接片送料机构9设置有转接片送料储存单元27和托盘下料储存单元34，两者分别通过送料滑轨汽缸28和下料滑轨汽缸36与吸盘滑轨汽缸38相连，送料滑轨汽缸28和下料滑轨汽缸36上分别设置有上料托盘托手33和下料托盘托手37，吸盘滑轨汽缸38上设置有吸盘汽缸29，吸盘汽缸29与托盘吸嘴30连接，吸盘滑轨汽缸38一侧设置有托盘顶紧汽缸31和转接片夹手伺服电机35，转接片夹手伺服电机35与转接片夹手32相连。转接片3存放于转接片送料储存单元27，上料时，上料托盘托手33将转接片送料储存单元27中的一个转接片托盘托住，由送料滑轨气缸28将转接片托盘送到转接片上料位置，托盘顶紧气缸31将托盘顶紧防止其滑动，转接片夹手伺服电机35控制转接片夹手32依次从托盘中将转接片取出送入电芯与转接片组合单元10，一盘转接片送完后，吸盘气缸29将托盘吸嘴30顶到托盘处而将托盘吸住，吸盘滑轨气缸38将托盘吸嘴30吸住的托盘送到托盘下料位置，下料滑轨气缸36将托盘送到托盘下料储存单元34，由下料托盘托手37将空托盘顶进储存位。

请参阅图2和图6，本发明的转接片与电芯组合单元10包括转接片托台40、滑轨气缸45、两对吸嘴气缸39和两对吸嘴41。滑轨气缸45设置于转接片托台40的底部，吸嘴气缸39设置于滑轨气缸45上，两对吸嘴41分别与两对吸嘴气缸30连接。转盘夹具包括极耳夹子42、伸进汽缸44和夹紧气缸43。伸进汽缸44和夹紧气缸43与极耳夹子42连接，分别控制极耳夹子42的移动和开闭。转接片3与电芯8组合的过程为：转接片送料机构9的转接片夹手32将正负极转接片3放入转接片托台40后，吸嘴汽缸39控制两对吸嘴41通过真空分别将正负极转接片3从中吸开为两部分，滑轨汽缸45移动而将吸开后的转接片3送到转盘夹具位，吸嘴汽缸39再控制两对吸嘴41闭合转接片3，使其将电芯的正负极极耳2分别包住，之后伸进汽缸44将极耳夹子42送到夹紧位置，夹紧汽缸43控制极耳夹子42闭合，从而将转接片3与电芯极耳2包住的位置夹稳，以方便进行后续的焊接工序。

请参阅图1、图2和图7，本发明的超声波焊接单元（由于铜、铝超声波焊接单元17、16的机械结构相同，本说明书不再分别描述）包括焊头1、焊座4、压力和位移控制单元46、振动子48和输出信号接口47。焊头1采用悬挂式，焊座4位于焊头1的下方。压力和位移控制单元46与焊头1连接，可按设定的压力和位移控制焊头1移动。振动子48连接于焊头1的后部，能够按设定的参数带动焊头1在单位时间内发振。输出信号接口47将每次超声波焊接的压力、位置、振幅和能量按时序图的形式发送给控制器，以便控制器按设定的规格自动判断焊接质量。在两个焊接工位，铜超声波焊接单元17和铝超声波焊接单元16分别将正负极连接片3与对应的电池极耳2焊接在一起，得到焊接后的电芯52（参见图9）。

请参阅图2、图8图9，本发明的下料机械手12包括下料伺服电机49、旋转汽缸50和电芯夹手51。下料伺服电机49可以使旋转汽缸50和电芯夹手51在转盘15的下料单元13和下料定位夹具14之间准确移动。当焊接好的电芯52被输送到下料单元13后，电芯夹手51将电芯抓起，旋转汽缸50旋转一定角度使电芯夹手51夹住的电芯52的朝向与下料定位夹具14相匹配，在下料伺服电机49的控制下，旋转汽缸50和电芯夹手51移动到下料定位夹具14，电芯夹手51松开，从而将电芯52放入下料定位夹具14上。

本发明的下料定位夹具14包括夹具托台54和开设于夹具托台54上的定位槽53。下料机械手12的电芯夹手51松开焊接后的电芯52，电芯52被收容于夹具托台54上的定位槽53中。

通过以上描述可以看出，本发明全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机结构紧凑，具有以下优点：1、通过电芯上料定位机构、上下料机械手和下料定位夹具实现全自动电芯上下料；2、转接片有独立的自动化上下料机构，无需人工操作；3、转盘自动旋转使电芯在设备内自动实现与转接片的组合及正负极的超声波焊接；4、焊接品质通过自动反馈的焊接参数由控制器自动判定，避免了人工误判和漏判。因此，具有广阔的应用前景。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：包括上料机械手、转盘、转接片送料机构、下料机械手和控制所有元件运作的控制器，转盘在圆周上均匀设置有上料单元、转接片与电芯组合单元、超声波焊接单元和下料单元，每一个单元对应一个转盘夹具，上料机械手将待焊接的电芯从上料位置移入转盘的上料单元，转盘和转接片送料机构分别将电芯和转接片送到转接片与电芯组合单元，转接片与电芯组合单元将电芯极耳夹在转接片中间，超声波焊接单元完成电芯极耳和转接片的焊接，下料机械手将焊接好的电芯放入下料位置。

2.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：还包括对待焊接电芯进行定位的电芯上料定位机构，电芯上料定位机构包括侧定位块、定位夹子、夹子气缸和夹子限位块，侧定位块和定位夹子配合对电芯的三个侧面进行定位，夹子气缸控制定位夹子的开闭，两个夹子限位块设于定位夹子的夹紧方向上，其位置能够根据电芯的大小进行调节，夹子限位块决定了电芯定位的松紧程度。

3.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述上料机械手包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和设置于X轴伺服电机上的旋转气缸及电芯夹手，三个伺服电机可以使旋转气缸和电芯夹手在转盘的上料单元和电芯上料位置之间准确移动，旋转气缸控制电芯夹手旋转而保证电芯的朝向与转盘的上料单元相匹配。

4.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述转接片送料机构设置有转接片送料储存单元和托盘下料储存单元，两者分别通过送料滑轨汽缸和下料滑轨汽缸与吸盘滑轨汽缸相连，送料滑轨汽缸和下料滑轨汽缸上分别设置有上料托盘托手和下料托盘托手，吸盘滑轨汽缸上设置有吸盘汽缸，吸盘汽缸与托盘吸嘴连接，吸盘滑轨汽缸一侧设置有托盘顶紧汽缸和转接片夹手伺服电机，转接片夹手伺服电机与转接片夹手相连。

5.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述转接片与电芯组合单元包括转接片托台、滑轨气缸、两对吸嘴气缸和两对吸嘴，滑轨气缸设置于转接片托台的底部，吸嘴气缸设置于滑轨气缸上，两对吸嘴分别与两对吸嘴气缸连接。

6.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述转盘夹具包括极耳夹子、伸进汽缸和夹紧气缸，伸进汽缸和夹紧气缸与极耳夹子连接，分别控制极耳夹子的移动和开闭。

7.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述超声波焊接单元包括铜超声波焊接单元和铝超声波焊接单元。

8.根据权利要求1或7所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述超声波焊接单元包括焊头、焊座、压力和位移控制单元、振动子和输出信号接口，焊头采用悬挂式，焊座位于焊头的下方，压力和位移控制单元与焊头连接，可按设定的压力和位移控制焊头移动，振动子与焊头连接，能够按设定的参数带动焊头发振，输出信号接口将超声波焊接的参数发送给控制器，控制器按设定的规格自动判断焊接质量。

9.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：所述下料机械手包括下料伺服电机、旋转汽缸和电芯夹手，下料伺服电机使旋转汽缸和电芯夹手在转盘的下料单元和下料位置之间准确移动，旋转气缸控制电芯夹手旋转而保证电芯按所需朝向下料。

10.根据权利要求1所述的全自动锂离子电芯多层极耳超声波焊接机，其特征在于：还包括从下料机械手接收电芯的下料定位夹具，下料定位夹具包括夹具托台和开设于夹具托台上的定位槽，下料机械手将焊接好的电芯放置于夹具托台上的定位槽中。

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