CN102842728B - 一种燃料电池膜电极热压头上表面贴片的纠偏补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极热压头上表面贴片的纠偏补偿方法。传统的机器视觉采图后摆动气缸翻转，然后贴片，不能保证GDL的贴装精度，另外，由于GDL料盒比GDL本身尺寸稍大，不能保证每次真空拾取机构吸取GDL的中心轴线都与旋转轴的中心轴线重合，因此翻转后也会有误差。本发明主要解决这两个误差的计算和补偿方法，实现热压头上表面的准确贴片。本发明基于现有的GDL热压装备实现，首先对相机进行标定，标定两个相机各自的像素坐标系和世界坐标系的关系，分别根据是由安装误差引起的贴片纠偏或者是由轴线不重合所引起的贴片纠偏二种情况，纠正畸变。本发明通过补偿，最大程度上减小了机械安装误差所带来的影响，提升了设备整体性能。

Description

一种燃料电池膜电极热压头上表面贴片的纠偏补偿方法
技术领域
本发明涉及新型能源——燃料电池膜电极叠层装备技术领域，主要讨论的是向热压装置热压头上表面进行GDL贴装时的纠偏补偿问题。GDL的贴装是MEA(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)生产过程中尤其关键的一步，其位置的贴装精度直接影响到气体与催化剂层的接触面积，影响燃料电池的转化效率，本发明较大程度上解决了使用摆动气缸翻转贴片时热压头上表面GDL贴不准的问题。
背景技术
在国内外燃料电池发展现状中质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，简称PEMFC)的研究和应用都处于较领先的地位，特别是在小型固定电源领域，PEMFC的比例达到90％以上，是便携式电源、电动汽车电源、小型固定电源的理想选择。
一个PEMFC本体由若干个电池单体组成，而电池单体主要由膜电极MEA和双极板组成，实际应用中根据需要将电池单体进行组合就可以得到不同功率、电压的燃料电池。电池工作时，燃料和空气被分别送进燃料电池，在催化剂的作用下发生反应，最终在其两极上产生电动势，若将外电路连接起来就会产生电流，生成的水通过电极板随反应尾气排出。燃料电池膜电极组件主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成，是实现质子交换膜燃料电池电化学反应的核心组件，很大程度上决定着燃料电池的性能。不仅如此，MEA对降低整个燃料电池生产成本、加快其商业化进程具有很重要的现实意义。
MEA特种复合设备是燃料电池自动化生产装备的重要组成部分，为一套集光、机、电、气于一体的复杂、精密系统设备，其研究并开发的主要技术内容包括：超薄变结构柔性薄膜输送、微张力控制、精确定位、热压温控一致性、疏松脆性多孔介质夹持、图像采集、多物理量协同控制、多工艺集成等关键技术。国内外厂商对燃料电池池相关核心技术和工艺均申请了相应专利保护，并制定知识产权战略作为公司发展的重要战略之一，这在很大程度上阻碍了我国燃料电池特种复合设备研究的步伐。
目前我国质子交换膜燃料电池尚未实现市场化，无论是燃料电池发动机、备用电源还是电站，都只是由政府买单的研发-示范项目的少量应用，还谈不上商业化市场运行。近些年，由于市场的强烈需求，从而推动了具有高可靠性、高精度的自动化设备的不断发展。
本发明提供的燃料电池膜电极热压头上表面的纠偏补偿方法针对的是GDL热压装置(参见本申请人于2012年4月24日提交的申请号2012101231860的发明专利申请“一种脆性片材与柔性基材复合设备及其工艺方法”，该发明中提供的热压设备如图1所示，它包括热压装置101、撑膜装置102、上料装置103、上料检测装置104、真空拾放装置105、薄膜检测装置106和支撑架107，其中，真空拾放装置105可以为五自由度机械手结构，并由用于实现X轴、Y轴和Z轴三个方向上直线移动的移动机构、安装在Z轴移动机构上的摆动与真空拾取机构90，以及用于对摆动与真空拾取机构在Z轴方向上的角度进行调节的纠姿机构80组成。具体来说，各个X轴、Y轴和Z轴移动机构分别包括X向底座30、Y向底座10和Z向底座50、安装在各个底座上的直线导轨40、20和60及相应的驱动动力元件，其中X轴移动机构的底座30通过Y向滑块安装在Y轴移动机构的直线导轨20上，Z轴移动机构的底座50通过X向滑块安装X轴移动机构的直线导轨40上，纠姿机构80的支座70通过Z向滑块安装在Z轴移动机构的直线导轨60上。在实际应用时，Y轴移动机构带动X向底座及连接其上的所有部件进行Y向直线运动，X轴移动机构带动Z向底座及连接其上的所有部件进行X向直线运动，Z轴移动机构带动纠姿支座及连接其上的所有部件进行Z向直线运动。该真空拾放装置中的摆动与真空拾取机构的分解图如图3所示)。GDL贴片是燃料电池膜电极生产的一道很重要的工序，它的贴装精度直接影响到燃料电池的转化效率，贴装误差过大时还会导致两侧气体绕过催化剂层发生互串失效，所以对GDL热压装置上GDL贴装必须严格把关，本发明就是解决GDL热压装置热压头上表面准确贴片的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决使用摆动气缸翻转贴片时热压头上表面GDL贴不准的问题，提供了一种针对热压头上表面贴片的纠偏补偿方法，该方法具有重复定位精度高，稳定可靠的特点，可使GDL精确的贴在热压头上表面上，同时该补偿方法也证实了采用常量对热压头上表面贴片进行补偿的错误性，该补偿量是与视觉检测值相关联的，是一非常量。
本发明提供的一种燃料电池膜电极热压头上表面贴片的纠偏补偿方法，其特征在于，如果是由安装误差引起的贴片纠偏按照步骤(A1)至(A7)进行，如果是由轴线不重合所引起的贴片纠偏按照步骤(B1)至(B5)进行；
(A1)开启热压头真空吸附，分别在上、下表面上各吸附一张白纸；
(A2)由真空拾取机构在GDL料盒中吸取一片GDL，并使GDL料的中心轴线与真空拾取机构旋转轴的中心轴线平行，然后真空拾取机构回到采图工位采图计算工序；
(A3)完成采图计算工序后，真空拾取机构往热压头下表面贴片，到达贴片位置时，拾取机构停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头下表面白纸上描出GDL的轮廓；
(A4)真空拾取机构沿Z向上升，翻转，此时X、Y方向不可有位移；
(A5)真空拾取机构往热压头上表面贴片，到达贴片位置时，真空拾取机构停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头上表面白纸上描出GDL的轮廓；
(A6)真空拾取机构退出，热压，当热压头压合时关闭热压头的真空吸附，然后热压头回到初始位置，保持两纸片的位置不动；计算两纸片上GDL轮廓的夹角即为由于真空拾取机构旋转轴安装不垂直所导致的GDL的贴装误差；
(A7)真空拾取机构贴装过程按照上述夹角进行补偿；
(B1)真空拾取机构在GDL料盒中吸取一片GDL后回到检测位置采图并触发采图计算工序，计算得到GDL的中线轴线与旋转轴903的中心轴线夹角，记为θ；
(B2)计算完毕后触发摆动气缸翻转180°；
(B3)判断夹角θ是否为正，如果为正，其角度补偿量为拾取机构向外偏转2θ，如果为负，其角度补偿量为拾取机构向内偏转2θ；
(B4)测量出真空拾取机构上GDL理论几何中心到拾取机构旋转中心的距离L，L×sin(2θ)即为X方向需要进行的补偿量，L-L×cos(2θ)即为Y方向需要进行的补偿量；
(B5)根据(B3)和(B4)中计算得到的X、Y方向需要进行的补偿量及角度补偿量进行首次纠偏。
本发明提供的方法分析了真空拾取机构旋转轴与摆动气缸圆盘面不垂直所导致的误差，该误差只取决于旋转轴的安装精度，因此是一常量误差，只需要按照此方法的要求计算出旋转轴的偏差量，在以后贴片时将该量补偿进去即可消除该安装误差所带来的影响。该方法解决了由于GDL气体扩散层的中心轴线与真空拾取装置旋转轴的中心轴线不重合所导致的误差，这是影响GDL热压头上表面贴片精度的主要误差来源，该误差是不能通过多次贴片计算出偏差平均值进行补偿的，因为实际补偿量与每次视觉检测到的GDL偏角是相关联的，该热压头上表面贴片纠偏方法给出了基于该偏角的纠偏方程，较大程度上解决了热压头上表面翻转贴片贴不准的问题。具体而言，本发明的积极效果是：
1.通过本发明，可以解决翻转后热压头上表面贴片不准的问题，找到了热压头下表面贴片非常准确翻转后误差很大的原因，对症下药，较大程度上提高了燃料电池膜电极的贴装精度。
2.膜电极贴片纠偏采用了机器视觉技术，该技术是一种无接触的测量方式，可以保证催化剂层不被污染，同时可以达到较高的精度，但往往整体精度并不高，主要是因为机械安装上精度不够，本发明通过补偿，较大程度上减小了机械安装误差所带来的影响，提升了设备整体性能。
附图说明
图1是GDL热压装备的立体结构示意图；
图2是热压装备中真空拾放装置的立体结构示意图；
图3是图2中所示真空拾放装置中的摆动与真空拾取机构的分解示意图；
图4是真空拾取机构旋转轴的安装误差所引起的贴片偏差及补偿示意图；
图5是GDL中心轴线与真空拾取机构旋转轴中心轴线不重合所引起的贴片偏差及补偿示意图。
具体实施方式
由于燃料电池膜电极气体扩散层正反面的性质不同，所以在热压头上表面贴片时需要将GDL翻转180°，这里的翻转主要是通过摆动气缸来实现。由于摆动气缸上旋转轴的安装误差，与摆动气缸的旋转平面并不一定垂直，因此，传统的机器视觉采图后摆动气缸翻转，然后贴片，不能保证GDL的贴装精度，另外，由于GDL料盒比GDL本身尺寸稍大，不能保证每次真空拾取机构吸取GDL的中心轴线都与旋转轴的中心轴线重合，因此翻转后也会有误差。本发明主要解决这两个误差的计算和补偿，实现热压头上表面的准确贴片。
热压设备用来完成GDL的热压工序，生产MEA，其结构如图1所示，其中，热压装置101用来将上下两片GDL进行压合，本发明采用热压头。上料装置103用于存放GDL原料的矩形盒，本发明采用GDL料盒。上料检测装置104用来检测被真空拾取机构吸取的GDL的姿态，本发明采用机械手相机。薄膜检测装置106用来检测催化剂层边框的位置和姿态，本发明采用热压相机。催化剂层是阴极和阳极气体发成反应的介质层，即撑膜装置102处所支撑的薄膜。
如图3所示，摆动气缸用来完成0°和180°之间的转换；旋转轴903是真空拾取机构90的机械臂部分，与摆动气缸相连；微型线性执行器802可将直线运动转化为旋转运动。
本发明提供的一种燃料电池膜电极组件的复合方法，基于现有的GDL热压装备实现，首先对相机进行标定，标定两个相机各自的像素坐标系和世界坐标系的关系，纠正畸变。影响纠偏的两个相机分别为机械手相机104和热压相机106，该方法具体实施步骤如下：
1、由于旋转轴903与摆动气缸圆盘面不垂直所导致的误差，该误差是一个常值误差，补偿方法如下：
(1)开启热压头101的真空吸附，分别在其上下各吸附一张白纸；
(2)真空拾取机构90在GDL料盒103中吸取一片GDL，调整使GDL料中心轴线与真空拾取机构旋转轴903的中心轴线平行(控制变量法，暂不考虑由于GDL料的中心轴线与真空拾取机构旋转轴的中心轴线不平行所带来的误差)，然后真空拾取机构90回到采图工位，进行采图计算工序；
(3)完成采图计算工序后，真空拾取机构90往热压头101下表面贴片，到达贴片位置时，真空拾取机构90停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头101下表面白纸上描出GDL的轮廓；
(4)真空拾取机构90沿Z向上升，摆动气缸翻转180°，注意此时X、Y方向不可有位移；
(5)真空拾取机构90往热压头101上底面贴片，到达贴片位置时，真空拾取机构90停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头101上底面白纸上描出GDL的轮廓；
(6)真空拾取机构90退出，热压，当热压头101压合时关闭热压头101的真空吸附，然后使热压头101回到初始位置，保持两纸片的位置不动。计算两纸片上GDL轮廓的夹角即为由于旋转轴903安装不垂直所导致的GDL极片的贴装误差。
如图4所示，405为真空拾取机构90吸取GDL料后翻转之前的图像，图中旋转轴903中心线与摆动气缸垂线夹角偏差为θ,然后机械手相机104采图计算，计算完毕后，旋转轴903在摆动气缸的带动下翻转180°，翻转后的图像如420所示。此时若直接贴片，必然导致热压头上表面贴片不准确。415为进行角度纠正后的图像，如图所示，纠正后的GDL与翻转之前的图像405中GDL是平行的，需要纠正的角度为2θ，因θ非常小，所以X、Y方向的纠偏量此处可忽略不计。由旋转轴903的安装不垂直所导致的贴装误差是一个常值误差，在以后的贴装过程中只需要补偿这个角度值即可。
2、由GDL的中心轴线与旋转轴903的中心轴线不重合所导致的误差是一个非常值误差，也是引起热压头101上表面贴片不准确的主要误差，补偿方法如下(下面纠偏方法只是针对热压头101上表面贴片，下表面贴片还是采用常规方法即可)。
(1)真空拾取机构90在GDL料盒103中吸取一片GDL后回到机械手相机104采图工位，触发采图计算，计算得到GDL的中线轴线与旋转轴903的中心轴线夹角，记为θ，如图5中505所示，
(2)计算完毕后触发摆动气缸翻转180°，翻转之后的图像如图5中520所示；
(3)上位机判断(1)中计算出的角度值θ，如果θ为正，上位机发指令给微型线性执行器802使得真空拾取机构90向外偏转两倍的θ角度值，如果θ为负，则发指令使真空拾取机构90向内偏转两倍的θ角度值。角度纠正完毕后，翻转后的GDL会与翻转前的GDL平行，如515所示；
(4)测量出真空拾取机构90上GDL理论几何中心到真空拾取机构90旋转中心的距离L(如图5所示)，即510中GDL轴线与旋转轴轴线的交点到旋转中心的距离，L×sin(2θ)即为X方向需要进行的补偿量，L-L×cos(2θ)即为Y方向需要进行的补偿量,如510所示；
(5)根据(3)和(4)中计算出的X、Y及角度补偿量进行首次纠偏；
(6)在首次纠偏的基础上，根据(1)中计算出的X、Y及角度值完成热压头101上下表面的贴片。
以上内容是结合具体实施实例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种燃料电池膜电极热压头上表面贴片的纠偏补偿方法，其特征在于，如果是由安装误差引起的贴片纠偏按照步骤(A1)至(A7)进行，如果是由轴线不重合所引起的贴片纠偏按照步骤(B1)至(B5)进行；
(A1)开启热压头真空吸附，分别在上、下表面上各吸附一张白纸；
(A2)由真空拾取机构在GDL料盒中吸取一片GDL，并使GDL料的中心轴线与真空拾取机构旋转轴的中心轴线平行，然后真空拾取机构回到采图工位采图计算工序；
(A3)完成采图计算工序后，真空拾取机构往热压头下表面贴片，到达贴片位置时，拾取机构停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头下表面白纸上描出GDL的轮廓；
(A4)真空拾取机构沿Z向上升，翻转，此时X、Y方向不可有位移；
(A5)真空拾取机构往热压头上表面贴片，到达贴片位置时，真空拾取机构停止运动并且保持真空吸附，用中性笔在热压头上表面白纸上描出GDL的轮廓；
(A6)真空拾取机构退出，热压，当热压头压合时关闭热压头的真空吸附，然后热压头回到初始位置，保持两纸片的位置不动；计算两纸片上GDL轮廓的夹角即为由于真空拾取机构旋转轴安装不垂直所导致的GDL的贴装误差；
(A7)真空拾取机构贴装过程按照上述夹角进行补偿；
(B1)真空拾取机构在GDL料盒中吸取一片GDL后回到检测位置采图并触发采图计算工序，计算得到GDL的中线轴线与旋转轴的中心轴线夹角，记为θ；
(B2)计算完毕后触发摆动气缸翻转180°；
(B3)判断夹角θ是否为正，如果为正，其角度补偿量为拾取机构向外偏转2θ，如果为负，其角度补偿量为拾取机构向内偏转2θ；
(B4)测量出真空拾取机构上GDL理论几何中心到拾取机构旋转中心的距离L，L×sin(2θ)即为X方向需要进行的补偿量，L-L×cos(2θ)即为Y方向需要进行的补偿量；
(B5)根据(B3)和(B4)中计算得到的X、Y方向需要进行的补偿量及角度补偿量进行首次纠偏。
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