CN106785079B - 卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷绕机抓取机械手，包括用于转移电芯的抓取机械手，其中，抓取机械手上下两端设有相同数量等间距排布的激光检测装置，抓取机械手中间未设置激光检测装置的间距小于电池钢壳内径与电芯最大入壳率的乘积；还包括对激光检测装置的接收信号进行编码的数字芯片，接收数字芯片处理后的编码信号并进行检测和判断的单片机控制器，以及与单片机控制器电连接的检测灯。本发明在卷绕机的全自动抓取机械手上加上激光，利用数字芯片和单片机程序控制将光电信号转换成数字信号对其直径进行检测，可精确挑出卷绕过大的电芯，确保进入下一道工序的电芯全都可以入壳，既可以减少资源浪费又可以提高工作效率。

Description

卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法。

背景技术

由于人类过度开发和利用非可再生资源导致石油、天然气以及煤炭的存储量是日益减少，进而导致这些非可再生资源的价格与日俱增。同时，随着社会经济以及全球人口的不断增长，环境问题也成为人类一大生存难题。因此，具有既能可持续发展又对坏境友好的“绿色能源”——电化学能源尤其备受关注。在诸多“绿色能源”中，锂离子电池因为循环寿命长、能量密度高以及安全环保等优点最受电动交通工具的亲睐。而圆柱锂离子电池因具有自动化程度高、工艺成熟、一致性好等特点使其在电动汽车上得到了很好的应用。

圆柱型锂离子电池相对而言，虽然其自动化生产程度比较高，然而在自动化生产过程中的每个工序都有一个允许的误差范围，当所有工序的误差累加在一起时就可能会造成一些资源浪费。比如，在电芯制造过程中，涂布的误差、对辊的误差以及卷绕的误差累计一起就可能会造成部分卷绕的电芯卷绕过大以致难以入壳并且不能及时发现，只能在装配过程中才能挑出。而此过程中又会因时效的耽搁和装配工序的误差可能会造成更多的人力、物力资源浪费。

现有锂电池生产工艺中卷绕机抓取机械手只具备转移电芯的作用，不具备筛选的功能，卷绕好的电芯进入装配车间，若电芯卷绕过大，只有在入壳时才能被发现；这期间造成的资源浪费有：因时效过长卷好的电芯有反弹现象导致需裁剪长度增加；因无法直观判断而强行入壳导致极片外露，可能会造成电芯短路；无法对卷绕过大的电芯作出直观的判断，以致发生转移、加工、再返工的情况，对人力造成了浪费，影响工作效率。

有鉴于此，确有必要提供一种工作效率高、节约资源的卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种工作效率高、节约资源的卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种卷绕机抓取机械手，包括用于转移电芯的抓取机械手，其中，所述抓取机械手上下两端设有相同数量等间距排布的激光检测装置，所述抓取机械手中间未设置激光检测装置的间距小于电池钢壳内径与电芯最大入壳率的乘积，还包括对激光检测装置的接收信号进行编码的数字芯片，接收数字芯片处理后的编码信号并进行检测和判断的单片机控制器，以及与单片机控制器电连接的检测灯。

作为本发明卷绕机抓取机械手的一种改进，所述激光检测装置包括激光发射装置和激光接收装置。

作为本发明卷绕机抓取机械手的一种改进，所述激光发射装置发出的激光束被挡住时，激光接收装置的接收信号为低电平L，否则接收信号为高电平H。

作为本发明卷绕机抓取机械手的一种改进，所述激光束相邻间的间距为0.05mm。

作为本发明卷绕机抓取机械手的一种改进，所述抓取机械手上端和下端分别安装有24个激光检测装置，毎8个分为一组，数字芯片对每组中的8路接收信号进行编码，并输出4位信号值。

一种利用本申请所述卷绕机抓取机械手的电芯筛选方法，其包括以下步骤：

1)将抓取机械手上的激光检测装置从上端至下端分为六组，每组八个，上端为P0.0-P0.3，P0.4-P0.7，P1.0-P1.3三组，下端为P2.4-P2.7，P2.0-P2.3，P1.4-P1.7三组，每组通过数字芯片输出4位信号值；

2)单片机控制器软件设计了一个外部中断，当抓取机械手抓住电芯时，触发单片机控制器的外部中断，单片机控制器开始进入检测循环，对电芯的直径进行检测；

3)抓取机械手抓住电芯检测时，先从上端从上至下开始检测，检测第一组P0.0-P0.3，若数字芯片输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出上端被挡住的激光束的数量m；

同样的方法开始下端从下至上开始检测，从P2.4-P2.7这组开始检测若输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出下端被挡住的激光束的数量n；

则电芯的直径L的范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

其中，m为抓取机械手下端被电芯挡住的激光束数；

n为抓取机械手上端被电芯挡住的激光束数；

a为抓取机械手中间未设置激光收发装置的间距，a＝Dλ-d(m+n+2)；

d为抓取机械手上端和下端中相邻激光束的间距；

D为电池钢壳内径；

λ为电芯最大入壳率；

4)判断直径L范围上限值d(m+n+2)≤Dλ是否成立，若成立，则检测灯亮，电芯直径合格，进入下一步工序，否则返工裁剪。

作为本发明电芯筛选方法的一种改进，所述电芯最大入壳率λ为97％。

作为本发明电芯筛选方法的一种改进，所述抓取机械手上端和下端相邻激光束的间距d为0.05mm。

作为本发明电芯筛选方法的一种改进，所述抓取机械手上端和下端分别安装有24组激光检测装置，则m≤24，n≤24。

作为本发明电芯筛选方法的一种改进，计算a值时，统一设定m+n＝26，d＝0.05mm，则a＝D97％-0.05(m+n+2)＝D97％-1.4。

作为本发明电芯筛选方法的一种改进，当测得的n+m≤26时，则电芯直径合格，检测灯亮，通过检测；当n+m>26时，电芯直径不合格，未通过检测。

相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

在卷绕机的全自动抓取机械手上加上激光，利用数字芯片和单片机程序控制将光电信号转换成数字信号对其直径进行检测，可精确挑出卷绕过大的电芯，确保进入下一道工序的电芯全都可以入壳，既可以减少资源浪费又可以提高工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明卷绕机抓取机械手及其电芯筛选方法进行详细说明，其中：

图1为本发明卷绕机抓取机械手的结构示意图。

图2为电芯与激光束接触的三种情形示意图。

图3为本发明卷绕机抓取机械手的电信号转化示意图。

图4为本发明电芯筛选方法的程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参照图1所示，本发明提供了一种卷绕机抓取机械手，包括用于转移电芯60的抓取机械手10，其中，抓取机械手10上下两端设有相同数量等间距排布的激光检测装置，抓取机械手10中间未设置激光检测装置的间距小于电池钢壳内径与电芯60最大入壳率的乘积，还包括对激光检测装置的接收信号进行编码的数字芯片，接收数字芯片处理后的编码信号并进行检测和判断的单片机控制器，以及与单片机控制器电连接的检测灯20。

抓取机械手上端设置的激光检测装置数n1＝24，同样下端设置的激光检测装置n2＝24，且均匀分布，激光检测装置包括激光发射装置30和激光接收装置40，左侧安装激光发射装置30，右侧安装激光接收装置40，使得产生的激光束50为等间距排列，相邻激光束50间的间距d＝0.05mm，而抓取机械手10中间未设置激光检测装置的间距a要求必须小于电池钢壳内径D与电芯60最大入壳率λ的乘积，即a≤Dλ，这样抓取机械手10在抓取电芯60时，电芯60才会挡住上端或下端的激光束50，才能对电芯60的直径进行检测。

请参照图2所示，电芯60与激光束50接触可能出现的三种情况，其中a是电芯60的两端刚好和激光束50相切，b是电芯60上端刚好与激光束50相切，下端挡住激光束50；c是电芯60上端和下端均挡住激光束50。

当激光发射装置发射出的激光束50被挡住时，激光接收装置接收信号为低电平L，若没有被挡住，则接收信号为高电平H，因此可根据接收信号的不同判断出抓取机械手上端和下端分别被挡住了多少根激光束50，在已知相邻激光束50间的间距d和中间未设置激光检测装置的间距a的前提下，可以计算出抓取电芯60的直径。

请参照图3所示，数字芯片采用数字芯片74LS148，单片机控制器采用ATC89C51单片机，将抓取机械手上端24个激光检测装置和下端24个激光检测装置均分成三组，每组8个，数字芯片74LS148对每组中8路接收信号进行编码，并输出4位信号值，上端为P0.0-P0.3，P0.4-P0.7，P1.0-P1.3三组，上端为P2.4-P2.7，P2.0-P2.3，P1.4-P1.7三组，若某一组激光束均未被挡，则输出HHHH，若输出的不是HHHH，则表示这组中有激光束被挡住；然后再将这4位信号值输入到单片机控制器，单片机控制器对数字芯片74LS148输入信号进行检测。

使用上述卷绕机抓取机械手进行电芯筛方法，包括以下步骤：

1)将抓取机械手上的激光检测装置从上端至下端分为六组，每组八个，上端为P0.0-P0.3，P0.4-P0.7，P1.0-P1.3三组，下端为P2.4-P2.7，P2.0-P2.3，P1.4-P1.7三组，每组通过数字芯片74LS148输出4位信号值；

2)ATC89C51单片机软件设计了一个外部中断，当抓取机械手抓住电芯时，触发ATC89C51单片机的外部中断，ATC89C51单片机开始进入检测循环，对电芯的直径进行检测；

3)检测时，先从上端从上至下开始检测，检测第一组P0.0-P0.3，若数字芯片74LS148输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出上端被挡住的激光束的数量m；

同样的方法开始下端从下至上开始检测，从P2.4-P2.7这组开始检测若输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出下端被挡住的激光束的数量n；

则电芯的直径L的范围为：

d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ时，

其中，m为抓取机械手下端被电芯挡住的激光束数；

n为抓取机械手上端被电芯挡住的激光束数；

a为抓取机械手中间未设置激光收发装置的间距，a＝Dλ-d(m+n+2)；

d为抓取机械手上端和下端中相邻激光束的间距；

D为电池钢壳内径；

λ为电芯最大入壳率；

例如ATC89C51单片机接收到第一组P0.0-P0.3的4位信号值为HLHL，表示第一组有激光束被挡住，从表1中第8行数据可以看出，这组中编号为0-7的8个激光束中，编号为2的激光束的接收信号为低电平L，说明第一组中从编号为2的激光束开始被遮挡，因此这一组中未被挡住的激光束为8-3＝5根，因此抓取机械手上端被电芯挡住的激光束的数量m＝24-5＝19根；

4)判断直径L范围上限值d(m+n+2)≤Dλ是否成立，若成立，则检测灯亮，电芯直径合格，进入下一步工序，否则返工裁剪。

表1真值表

其中一般选择电芯最大入壳率λ为97％，相邻激光束的间距d为0.05mm，当电池规格较小时，可以考虑缩小相邻激光束的间距d，以达到检测和筛选的目的。对于抓取机械手中间未设置激光收发装置的间距a＝Dλ-d(m+n+2)，针对不同规格的电池，a值不同，为方便程序控制，计算a值时，m+n值统一设定为26，则得出a＝D97％-0.05(m+n+2)＝D97％-1.4。

以常见的32、26、18、14四种规格的电芯为例：

实施例1

规格32的电芯，电池钢壳内径D＝31.20mm，d＝0.05mm，要求入壳率≤97％，

首先以m+n＝26计算a＝31.20×0.97-(26+2)×0.05＝28.86mm，

则电芯的直径L范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

即(n+m)0.05+28.86<L<(n+m+2)×0.05+28.86≤31.20×97％，得出m+n≤26，则检测灯亮，电芯直径通过检测；

若m+n＝27，则电芯最大入壳率＝[(27+2)×0.05+28.86]/31.20＝97.15％，直接考虑返工裁剪，m+n>27时，电芯最大入壳率大于97％，不符合要求，需返工裁剪。

实施例2

规格26的电芯，电池钢壳内径D＝25.40mm，d＝0.05mm，要求入壳率≤97％，

首先以m+n＝26计算a＝25.40×0.97-(26+2)×0.05＝23.24mm，

则电芯的直径L范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

即(n+m)×0.05+23.24<L<(n+m+2)×0.05+23.24≤25.40×97％，

得出m+n≤26，则检测灯亮，电芯直径通过检测；

若m+n＝27，则电芯最大入壳率＝[(27+2)×0.05+23.24]/25.40＝97.21％，直接考虑返工裁剪，m+n>27时，电芯最大入壳率大于97％，不符合要求，需返工裁剪。

实施例3

规格18的电芯，电池钢壳内径D＝17.50mm，d＝0.05mm，要求入壳率≤97％，

首先以m+n＝26计算a＝17.50×0.97-(26+2)×0.05＝15.58mm，

则电芯的直径L范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

即(n+m)×0.05+12.08<L<(n+m+2)×0.05+15.58≤17.50×97％，

得出m+n≤26，则检测灯亮，电芯直径通过检测；

若m+n＝27，则电芯最大入壳率＝[(27+2)×0.05+15.58]/17.50＝97.31％，直接考虑返工裁剪，m+n>27时，电芯最大入壳率大于97％，不符合要求，需返工裁剪。

实施例4

规格14的电芯，电池钢壳内径D＝13.90mm，d＝0.05mm，要求入壳率≤97％，

首先以m+n＝26计算a＝13.90×0.97-(26+2)×0.05＝12.08mm，

则电芯的直径L范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

即(n+m)×0.05+12.08<L<(n+m+2)×0.05+12.08≤13.90×97％，

得出m+n≤26，则检测灯亮，电芯直径通过检测；

若m+n＝27，则电芯最大入壳率＝[(27+2)×0.05+12.08]/13.90＝97.34％，直接考虑返工裁剪，m+n>27时，电芯最大入壳率大于97％，不符合要求，需返工裁剪。

根据上述四个实施例中对四种规格电芯的分析可以发现，筛选结果只有两种：当n+m≤26，电芯合格；n+m>26，直接返工裁剪；而且当电芯型号规格越小，n+m＝27时算出来的入壳率误差范围越大，因此当电芯规格低于14时，可以考虑缩小激光束间的间距d，使得筛选后的电芯可以做到保证百分之百的入壳率。

因此可通过检测n+m≤26是否成立来判断电芯直径是否合格，当测得的n+m≤26时，则电芯直径合格，检测灯亮，通过检测；当n+m>26时，电芯直径不合格，未通过检测，无需计算出电芯的直径数据就可以直接进行判断了。

图4为卷绕机抓取机械手的对电芯检测和筛选的程序流程图。当抓取电芯时，外部触发检测，从抓取机械手上端的P0.0-P0.3这组开始检测，若输出的是HHHH，则继续检测下一组P0.4-P0.7，依次类推，若检测至P1.0-P1.3这组依然为HHHH，则表示抓取的电芯不符合要求，不通过测试；若其中某一组输出的不是HHHH，则通过真值表得到上端被挡住的激光束数量m；

然后从抓取机械手下端的P2.4-P2.7这组开始检测，若输出的是HHHH，则继续检测下一组P2.0-P2.3，依次类推，若检测至P1.4-P1.7这组依然为HHHH，则表示抓取的电芯不符合要求，不通过测试；若其中某一组输出的不是HHHH，则通过真值表得到上端被挡住的激光束数量n；

根据得到的m和n值，判断m+n≤26是否成立，若不成立，则电芯直径过大，不通过测试，若成立，则电芯的直径符合要求，通过测试，中断返回进行循环测试。

结合以上对本发明的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明至少具有以下有益技术效果：

在卷绕机的全自动抓取机械手上加上激光，利用数字芯片和单片机程序控制将光电信号转换成数字信号对其直径进行检测，可精确挑出卷绕过大的电芯，确保进入下一道工序的电芯全都可以入壳，既可以减少资源浪费又可以提高工作效率。

根据上述原理，本发明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 (11)

1.一种卷绕机抓取机械手，包括用于转移电芯的抓取机械手，其特征在于，所述抓取机械手上下两端设有相同数量等间距排布的激光检测装置，所述抓取机械手中间未设置激光检测装置的间距小于电池钢壳内径与电芯最大入壳率的乘积；还包括对激光检测装置的接收信号进行编码的数字芯片，接收数字芯片处理后的编码信号并进行检测和判断的单片机控制器，以及与单片机控制器电连接的检测灯。

2.根据权利要求1所述的卷绕机抓取机械手，其特征在于，所述激光检测装置包括激光发射装置和激光接收装置。

3.根据权利要求2所述的卷绕机抓取机械手，其特征在于，所述激光发射装置发出的激光束被挡住时，激光接收装置的接收信号为低电平L，否则接收信号为高电平H。

4.根据权利要求3所述的卷绕机抓取机械手，其特征在于，所述激光束相邻间的间距为0.05mm。

5.根据权利要求4所述的卷绕机抓取机械手，其特征在于，所述抓取机械手上端和下端分别安装有24个激光检测装置，毎8个分为一组，数字芯片对每组中的8路接收信号进行编码，并输出4位信号值。

6.一种使用权利要求5中所述卷绕机抓取机械手的电芯筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将抓取机械手上的激光检测装置从上端至下端分为六组，每组八个，上端为P0.0-P0.3，P0.4-P0.7，P1.0-P1.3三组，下端为P2.4-P2.7，P2.0-P2.3，P1.4-P1.7三组，每组通过数字芯片输出4位信号值；

2)单片机控制器软件设计了一个外部中断，当抓取机械手抓住电芯时，触发单片机控制器的外部中断，单片机控制器开始进入检测循环，对电芯的直径进行检测；

3)抓取机械手抓住电芯检测时，先从上端从上至下开始检测，检测第一组P0.0-P0.3，若数字芯片输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出上端被挡住的激光束的数量m；

同样的方法开始下端从下至上开始检测，从P2.4-P2.7这组开始检测若输出HHHH，则没有被挡住，继续进行下一组检测，若输出不是HHHH，可确定电芯上边沿的遮挡位置，并根据真值表计算得出下端被挡住的激光束的数量n；则电芯的直径L的范围为：d(m+n)+a<L<d(m+n+2)≤Dλ，

其中，m为抓取机械手下端被电芯挡住的激光束数；

n为抓取机械手上端被电芯挡住的激光束数；a为抓取机械手中间未设置激光收发装置的间距，a＝Dλ-d(m+n+2)；

d为抓取机械手上端和下端中相邻激光束的间距；

D为电池钢壳内径；

λ为电芯最大入壳率；

4)判断直径L范围上限值d(m+n+2)≤Dλ是否成立，若成立，则检测灯亮，电芯直径合格，进入下一步工序，否则返工裁剪。

7.根据权利要求6所述的电芯筛选方法，其特征在于，所述电芯最大入壳率λ为97％。

8.根据权利要求6所述的电芯筛选方法，其特征在于，所述抓取机械手上端和下端相邻激光束的间距d为0.05mm。

9.根据权利要求6所述的电芯筛选方法，其特征在于，所述抓取机械手上端和下端分别安装有24个激光检测装置，则m≤24，n≤24。

10.根据权利要求6或8所述的电芯筛选方法，其特征在于，计算a值时，统一设定m+n＝26，d＝0.05mm，则a＝D97％-0.05(m+n+2)＝D97％-1.4。

11.根据权利要求10所述的电芯筛选方法，其特征在于，当测得的n+m≤26时，则电芯直径合格，检测灯亮，通过检测；当n+m>26时，电芯直径不合格，未通过检测。