CN108372513A - 一种电池模组自动化抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池模组自动化抓取装置，至少包括：夹紧机构，依靠摩擦力抓取电池模组；第一气缸，第一气缸推动夹紧机构利用杠杆原理，发生膨胀变形并与电池模组接触产生摩擦力；基板，用于安装夹紧机构和第一气缸。本发明利用杠杠原理巧妙设计出很紧凑的抓取机构，保证在抓取过程中可以利用极限空间。利用自锁气缸，在断电断气的情况下自锁气缸能够抱死，防止掉落。对中机构保证在抓取重物前能够包容所有的模组尺寸及形位公差，并且在空载情况下夹具能够自动对中。防掉落机构防止电池模组在快速运动过程中掉落。

Description

一种电池模组自动化抓取装置

技术领域

本发明涉及一种抓取装置，尤其涉及一种电池模组自动化抓取装置，用于电池模组在电池包内的自动化入箱，属于新能源锂动力电池技术领域。

背景技术

新能源电池主要分为三大核心制造过程：电芯、模组、电池包，目前新能源厂家单款电池包大概为数万台的产量，基数较小，一个电池包对应数十个模组，而一个模组对应几十个电芯，所以模组和电芯的数量极大，并且电芯和模组的安装环境严苛，所以都已经大部分实现无人化的全自动生产。而电池包数量小，安装环境要求低，几乎还处于人工化装配和手推生产线阶段。随着未来产量的不断提高，所以电池包部分工位也必须实现全自动化，否则会大大增加人工成本，并且安全事故发生的概率大。

新能源电池包设计的一大难题就是续航问题，基于目前的电芯技术，唯一的办法就是增加电池包的比能量，而为了增加比能量势必会导致电池包的设计非常紧凑，导致模组排布非常密集，其他各部件排列也很紧密。所以自动化设备开发也异常困难。一种典型的电池包壳体有安装有32个模组，模组分为两种，安装孔位间距相差1mm。目前市场上模组多为这种标准化模组，并且每个电池包都有20个以上的模组。平均每个模组大概重约10公斤，目前低端的做法是用人工搬运，则人机工程学太差，另一种稍微先进点的则是辅助臂，但是半自动化精确对位很困难。

因此，开发出一款全自动化模组抓取搬运装置很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：实现电池模组的自动化抓取搬运，以及在电池包内的自动化入箱。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电池模组自动化抓取装置，至少包括：

夹紧机构，依靠摩擦力抓取电池模组；

第一气缸，第一气缸推动夹紧机构由于杠杆原理发生膨胀变形，并与电池模组接触产生摩擦力；

基板，用于安装夹紧机构和第一气缸。

优选地，电池模组的四条纵棱处各设有一个抓取孔；抓取装置共有四套夹紧机构和四个第一气缸，每个夹紧机构和第一气缸与一个抓取孔配合使用，夹紧机构在抓取孔内发生膨胀变形后与抓取孔的内壁产生摩擦力。

进一步地，夹紧机构包括：

夹具主体，夹具主体的上部设有空腔，中部设有竖直通孔，下部设有圆形阶梯孔；

传动杆，能够在空腔内上下运动；

杠杆件，杠杆件的上部设有倾斜通孔，中部镶嵌在阶梯孔内，下部是摩擦端。

顶轴，固定在传动杆的末端，且分别穿过竖直通孔和条状通孔。

进一步地，在基板靠近传动杆的部位纵向安装用于侦测传动杆的上下运动的第一位移传感器和第二位移传感器。

进一步地，自动化抓取装置还包括：

对中机构和对中支架，对中机构通过对中支架安装于基板；

对中机构由对中孔板和顶丝组成，对中孔板中部开有对中通孔，对中通孔的内直径大于夹具主体的外直径，夹具主体穿入对中通孔内并与顶丝接触，夹具主体的外壁设有限制顶丝的头部活动范围的纵向凹槽。

进一步地，传动杆位于对中支架和夹具主体之间的部分套装有回位弹簧。

进一步地，自动化抓取装置还包括：

防掉落组件和旋转机构；

防掉落组件由半包围框架、防掉落底板和旋转轴组成；

旋转机构由第二气缸、滑槽、齿轮和齿条组成，第二气缸和滑槽安装在基板，齿轮固定在旋转轴，齿条安装滑槽内，第二气缸的活塞带动齿条滑动，进而带动齿轮及防掉落组件绕着旋转轴转动。

进一步地，基板安装有用于侦测防掉落组件的转动幅度的角度传感器。

进一步地，自动化抓取装置还包括用于定位抓取孔位置的视觉系统，视觉系统由照相装置和照明装置组成。

进一步地，基板上部安装有用于将抓取装置连接至机器人手臂的连接法兰。

本发明的有益效果：

1.利用杠杠原理巧妙的设计很紧凑的抓取机构，保证在抓取过程中可以利用极限空间；

2.利用自锁气缸，在断电断气的情况下自锁气缸能够抱死，防止掉落；

3.浮动对中机构保证在抓取重物前能够包容所有的模组尺寸及形位公差，并且在空载情况下夹具能够自动对中；

4.防掉落机构主要作用是为了机器人在快速运动中防止模组掉落。

附图说明

图1是本发明的自动化抓取装置适合抓取的电池模组的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的自动化抓取装置的前上视角结构示意图；

图3是图2中所示自动化抓取装置的前下视角结构示意图；

图4是图2中所示自动化抓取装置的倒置结构示意图；

图5是图2中所示自动化抓取装置的左侧结构示意图；

图6是图2中虚线椭圆圈出部分的放大结构示意图；

图7是图6中的夹具主体的单体结构示意图；

图8是图6中的杠杆件的单体结构示意图；

图9是图6中的传动杆的单体结构示意图；

图10是自动化抓取装置的对中机构的结构示意图；

图11是自动化抓取装置的视觉系统对电池模组孔位的定位补偿原理图。

图12是自动化抓取装置的杠杆件的受力示意图；

图13是图2中所示自动化抓取装置抓取电池模组后的示意图。

上述各图中：

100 主框架结构

110 基板

120 连接法兰

200 抓取功能模块

210 气缸

220 夹紧机构

221 传动杆

221a 顶轴

222 夹具主体

222a 竖直通孔

222b 阶梯孔

222c 凹槽

222d 夹具头

223 杠杆件

223a 倾斜通孔

223b 嵌入部

223c 摩擦端

224 位移传感器

225 位移传感器

230 对中机构

231 对中孔板

232 顶丝

233 回位弹簧

300 视觉系统

310 照像装置

320 照明组件

400 防掉落功能模块

410 防掉落组件

411 L形框架

412 防掉落底板

413 旋转轴

420 旋转机构

421 齿轮

422 齿条

423 气缸

424 传动板

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图1是一种常见的电池模组，呈长方体形状。电池模组500的四条纵棱处各有一个抓取孔510。为了使电池包内的电池模组尽可能安装紧凑，这四个抓取孔510设计得较为细小，不占用太多空间。

如图2所示，为了实现上述电池模组500的自动化抓取，本实施例提供了一种自动化抓取装置，主要由四个模块构成：主框架结构100、抓取功能模块200、视觉系统300和防掉落功能模块400。

主框架结构100主要包括基板110、连接法兰120以及大大小小的各个其他连接件。主框架结构100起到承重、连接等作用。基板110是一块长方形的厚金属板，其上是一个连接法兰120。连接法兰120的下法兰盘通过螺母固定在基板110上表面的螺孔中，上法兰盘同样通过螺母固定于机器人手臂(图中未示出)。被抓取的电池模组500在产线上，此抓取装置由上至下降落，靠近电池模组500。因此，抓取功能模块200、视觉系统300均安装在基板110的四周，使它们的作用方向朝下，针对电池模组500实现各自功能。防掉落功能模块400吊装在基板110的下方。

如图3所示，抓取功能模块包括气缸210、夹紧机构220、对中机构230等。气缸210和夹紧机构220竖直对接，气缸210的作用力可以完全释放。整个自动化抓取装置机构复杂，电池模组相互紧密布置，所以气缸210选型尽量选取小气缸。本实施例中，按照设计尺寸大小选取SMC的直径为16mm的小型气缸，SMC为世界级的气动元件研发、制造、销售商。气缸的负载率按照0.8计算，工业气源压力为0.4～0.6MPa，设计时选取中间值0.5MPa，θ值为85度。

夹紧机构220是自动化抓取装置的核心部件，也是本发明中最重要的创新点，如图5和图6所示，其中图5是图6中用虚线椭圆圈出的区域A的放大图。夹紧机构220主要由传动杆221、夹具主体222、杠杆件223组成。夹具主体222上部设有空腔，传动杆221整体为圆柱形(如图9所示)，传动杆221在空腔内作上下运动，传动杆221的上端与气缸210的活塞出力端接触。如图4和图5所示，在靠近传动杆221的部位纵向安装位移传感器224和位移传感器225，分别用于侦测传动杆221上下运动的上限位置和下限位置。

如图7所示，夹具主体222中部设有竖直通孔222a，下部设有阶梯孔222b，为了便于对准抓取孔，夹具主体222的最低端为圆锥形的夹具头222d。如图8所示，杠杆件223的上部设有倾斜通孔223a，与上述竖直通孔222a配合使用。顶轴221a固定在传动杆221末端的孔内，且同时穿过竖直通孔222a和倾斜通孔223a，如图6所示。竖直通孔222a和倾斜通孔223a之间的夹角范围是5～30度之间。杠杆件223的中间是圆形的嵌入部223b，镶嵌在夹具主体222的圆形阶梯孔222b内，杠杆件223以阶梯孔222b的中心为轴作小角度转动，带动杠杆件223下部的摩擦端223c与电池组件500的抓取孔510的内壁接触，产生极大的摩擦力。此时，即夹紧机构220发生了所谓的膨胀变形。

对中机构230通过对中支架安装于基板110。如图10所示，对中机构230由对中孔板231、四个顶丝232和回位弹簧233组成，对中孔板231中部开有对中通孔，对中通孔的内直径大于夹具主体222的外直径，夹具主体222穿入对中通孔内，四个顶丝232分别安装在对中孔板231的四边，顶丝232与夹具主体222接触，这样使夹具主体222有一些水平活动范围，有更好的适应性。

对中机构230的存在，是为了保证在抓取孔510的位置度在1mm以内，都能浮动自适应电池模组500的抓取孔510。为了获得合适的设计尺寸，经过了一系列如下文的精确计算过程。

由于在电池模组500夹取的过程中不允许切换夹具，所以在X方向和Y方向上需要兼容两种公差，X方向上339mm～341mm，所以需要满足2mm公差，Y方向上132mm～134mm，所以需要满足132～134mm公差为2mm。

X方向的自适应能力分析：

夹具头222d最粗处的直径2.24mm，X方向上两个夹具头的圆心间距为(339+342)/2＝340.5mm，当头端碰触到孔内后，夹紧机构220会在安装的滑轨上自适应滑动。

在X向，抓取孔中心的间距为339mm～342mm，抓取孔的尺寸为8.2±0.2mm，所以孔壁面之间的最小间距为339-8.2-0.2＝330.6mm，孔壁面之间最大的间距为342+8.2+0.2＝350.4mm。因此，夹具头的壁面之间的最小间距340.5-2.24＝338.26mm，夹具头的壁面之间的最大间距340.5+2.24＝342.74mm。滑轨能够自由移动的距离为3m，所以X方向上完全能够兼容两种模组的尺寸。

在Y向，抓取孔中心的间距为132～134mm，抓取孔的尺寸为8.2±0.2mm，夹具自动导入没有问题，伸进去之后柱面的尺寸为7.52mm～7.58mm，夹具Y向的中心距离133mm，所以孔壁面之间的最小间距为132-8.2-0.2＝123.6mm，孔壁面之间最大的间距为134+8.2+0.2＝142.4mm。夹具头伸进抓取孔内后最小133-7.58＝125.42mm，夹具头伸进孔后最大间距133+7.58＝140.58mm。

虽然能够保证正常的夹取，但是133mm的夹具中心距是需要设备装配操作共精调出来的，所以累计公差也会存在，为了确保极限可能，在每个夹紧机构220上安装活动顶丝232，可以确保夹具主体222插入孔位实现Y向的自纠正，单边可以自纠正0.8mm，所以Y向的自适应能力也可以解决。夹具主体222外壁设有限制顶丝232的头部活动范围的纵向凹槽222b，见图7。

但是，每次抓完电池模组500后，夹紧机构220有可能会无法自复位。为了确保每次让夹紧机构220都竖直向下，选择在夹具主体222上端的传动杆221上套装用于夹具主体222复位的回位弹簧233，并且保证对中支架压住回位弹簧233，确保了在空载的情况下，夹具主体222能够自复位。

完整的防掉落功能模块如图3和图4所示，包括防掉落组件410和旋转机构(图中未标出)。旋转机构由齿轮421、齿条422、气缸423以及滑槽(图中未示出)组成。气缸423和滑槽安装在基板110的下表面，齿轮423固定在旋转轴413，齿条422安装滑槽内，气缸423的活塞与齿条422之间通过传动板424连接。气缸423带动齿条422滑动，进而带动齿轮421及防掉落组件410绕着旋转轴413转动。防掉落组件410由左右各一个L形框架411、置于L形框架411上的尼龙材质防掉落底板412和旋转轴413组成。基板110上安装有用于侦测防掉落组件410的转动过程的角度传感器。

图3中清楚地展示了视觉系统300，它是自动化抓取装置的“眼睛”。视觉系统包括照相装置310和照明组件320。照相装置310选用高分辨率的摄像头，照明组件320包括一个中间有圆孔的圆盘，数百颗LED呈辐射状分布在圆盘下，起到类似外科手术中经常使用的无影灯的效果。光线通过圆孔传到摄像头中，获得用于电池模组500定位的图像信息。

下面以抓取12.5公斤重的电池模组为例，说明自动化抓取装置的完整工作步骤。

步骤一，利用视觉系统300，在抓取前先对电池模组500的抓取特征进行定位，进行高精度定位补偿，如图11所示。视觉系统300拍照后内部算法计算模组抓取的抓取位置。

主要计算中心点(X_center，Y_center)的位置坐标。

标准位置中点的位置为(0，0，0)，随机位置的两个孔连线的中心坐标为(X，Y，Ang)，

X_center＝X–L*cos(90-Ang)；

Y_center＝Y+L*sin(90-Ang)；

Ang_c＝Ang

步骤二、首先保证防掉落组件410是在远离夹具主体222的状态下，即夹具头222d下部空间无任何阻挡。夹具主体222下降，进入电池模组500的抓取孔510内，然后气缸210动作，推动传动杆221向下。因为顶轴221a同时分别穿过竖直通孔222a和倾斜通孔223a，所以杠杆件223会利用杠杆原理，绕着阶梯孔222b的中心旋转少许角度，与此同时，摩擦端223c与抓取孔510内壁紧密接触，产生巨大的摩擦力。

图12所示是杠杆件223工作时的各项参数：

杠杆比L/l＝30/17.8＝1.7

斜面增力比k＝9.77/3.07＝3.2

则F1＝PAk＝0.5*10⁶*π*8²*10^-6*0.8*3.2＝257N

一般提取计算时接触点为2个

F2＝1.7F1＝437N

F_n＝F2cosθ＝437N(近似)

f＝uF_n*2＝0.15*437*2＝131N

总的摩擦力为4*131N＝524N

所以安全系数n＝524/G＝4.2

步骤三、机器人将电池模组500抬起后，气缸423动作，带动防掉落组件410旋转到位，此时防掉落底板412位于电池模组500的正下方，起到预防其掉落的目的。

步骤四、机器人快速提取电池模组500，当达到指定位置上方后，气缸423先打开，防掉落底板412再次远离电池模组正下方。然后，气缸210再放开，摩擦端223c归位，电池模组500被放下，完成抓取与搬运的全过程。气缸210和气缸423均选用自锁气缸，在断电断气的情况下自锁气缸能够抱死，防止发生抓取失败带来的操作危险。

本发明通过视觉系统500快速定位电池模组的抓取孔510，在模组抓取前通过视觉拍照，保证抓取成功的一次合格率。

巧妙的设计使夹紧机构220通过杠杠原理膨胀，其可夹紧12.5公斤重物，该机构可以满足抓取孔孔位位置度1mm的偏差，可以公差自适应。该机构解决了在极其紧凑空间内的模组安装问题。必须说明的是，本发明中抓取装置的使用场合，不限于抓取电池模组，其他有孔的重物都可以被抓取。

通过回位弹簧233及整套自适应对中机构230，能够保证夹具在模组抓取孔位位置度超差的情况下也能自适应抓取，在空载情况下能够自动对中，保证下次抓取时，夹具可以垂直。

通过防掉落组件410以及旋转机构420，保证在电池模组500抓取的运动过程中不会摔落。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，至少包括：

夹紧机构，依靠摩擦力抓取电池模组；

第一气缸，推动所述夹紧机构由于杠杆原理产生膨胀变形并与所述电池模组接触产生所述摩擦力；

基板，用于安装所述夹紧机构和所述第一气缸。

2.根据权利要求1所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，所述电池模组的四条纵棱处各设有一个抓取孔，所述抓取装置共有四套所述夹紧机构，所述夹紧机构在所述抓取孔内发生膨胀变形后与所述抓取孔的内壁产生所述摩擦力。

3.根据权利要求2所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，所述夹紧机构包括：

夹具主体，所述夹具主体的上部设有空腔，中部设有竖直通孔，下部设有圆形阶梯孔；

传动杆，能够在所述空腔内上下运动；

杠杆件，所述杠杆件的上部设有倾斜通孔，中部镶嵌在所述阶梯孔内，下部是摩擦端；

顶轴，固定在所述传动杆的末端，且分别穿过所述竖直通孔和所述条状通孔。

4.根据权利要求3所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，在所述基板靠近所述传动杆的部位纵向安装用于侦测所述传动杆的上下运动的第一位移传感器和第二位移传感器。

5.根据权利要求3所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，还包括：

对中机构和对中支架，所述对中机构通过所述对中支架安装于所述基板；

所述对中机构由对中孔板和顶丝组成，所述对中孔板中部开有对中通孔，所述对中通孔的内直径大于所述夹具主体的外直径，所述夹具主体穿入所述对中通孔内并与所述顶丝接触，所述夹具主体的外壁设有限制所述顶丝的头部活动范围的纵向凹槽。

6.根据权利要求5所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，所述传动杆上位于所述对中支架和所述夹具主体之间的部分套装有回位弹簧。

7.根据权利要求3所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，还包括防掉落组件和旋转机构；

所述防掉落组件由半包围框架、防掉落底板和旋转轴组成；

所述旋转机构由第二气缸、滑槽、齿轮和齿条组成，所述第二气缸和所述滑槽安装在所述基板，所述齿轮固定在所述旋转轴，所述齿条安装所述滑槽内，所述第二气缸的活塞带动所述齿条滑动，进而带动所述齿轮及所述防掉落组件绕着所述旋转轴转动。

8.根据权利要求7所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，所述基板安装有用于侦测所述防掉落组件的转动幅度的角度传感器。

9.根据权利要求3所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，还包括用于定位所述抓取孔位置的视觉系统，所述视觉系统由照相装置和照明装置组成。

10.根据权利要求3所述的一种电池模组自动化抓取装置，其特征在于，所述基板上部安装有用于将所述抓取装置连接至机器人手臂的连接法兰。