CN109888364B - 一种特种电池片全自动垒装机 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化垒装领域，具体地说是一种特种电池片全自动垒装机，机器人系统安装在工作台上，包括三坐标桁架机器人，三坐标桁架机器人Z轴的末端安装有吸盘架组件；吸盘架组件包括保持架、气管及真空吸盘，保持架安装在三坐标桁架机器人Z轴的末端，气管的一端通过气动系统与气源连通，另一端与安装在保持架上的真空吸盘相连通；工作台上设有原材料片体存放区、成品电池堆存放区及废品区工位，原材料片体存放区、成品电池堆存放区及废品区工位均设有模具料盒，模具料盒位于吸盘架组件的下方。本发明能够将特种电池片按照设定的垒装顺序进行摆放，还具有图像识别、厚度检测、静电消除等功能，极大地提高了特种电池片的垒装自动化水平。

Description

一种特种电池片全自动垒装机

技术领域

本发明属于自动化垒装领域，具体地说是一种集图像识别、厚度检测在内的特种电池片全自动垒装机。

背景技术

特种电池作为引信电源，在武器与军事装置中有着广泛应用。随着技术不断进步，自动化生产已逐渐代替传统的手工生产，成为企业智能制造与生产的新型方式。

在特种电池的生产过程中，其中一个生产工艺流程是：不同种类的电池片体(以下简称电池片A、电池片B、电池片C……,均是由电解质或金属粉末压制而成的圆形片)需按设定顺序进行垒装，并且电池片需要按照正负极指定方向进行码放，垒装后的电堆体是一个满足要求的组合体。

目前，特种电池的垒装多是通过人工操作，生产效率低；而且，由于人为操作的不确定性，产品质量无法得到保证。

发明内容

为了代替现有生产过程中的人工操作，本发明的目的在于提供一种特种电池片全自动垒装机。该自动垒装机可对特种电池片进行自动垒装，并含有图像识别、厚度检测等功能，从而提高生产过程中的自动化水平。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括机柜及分别位于该机柜内的机器人系统、吸盘架组件、工作台、模具料盒和气动系统，其中机器人系统安装在工作台上，包括三坐标桁架机器人，三坐标桁架机器人Z轴的末端安装有吸盘架组件；所述吸盘架组件包括保持架、气管及真空吸盘，该保持架安装在所述三坐标桁架机器人Z轴的末端，所述气管的一端通过气动系统与气源连通，另一端与安装在保持架上的真空吸盘相连通；所述工作台上设有原材料片体存放区、成品电池堆存放区及废品区工位，该原材料片体存放区、成品电池堆存放区及废品区工位均设有模具料盒，所述模具料盒位于吸盘架组件的下方；所述原材料片体存放区内模具料盒的特种电池片通过三坐桁架机器人带动吸盘架组件向成品电池堆存放区内的模具料盒垒装，不合格的特种电池片通过三坐桁架机器人带动吸盘架组件放入废品区工位的模具料盒；

其中：所述气动系统包括分别安装在保持架上的真空发生器、气管转接头及单向电磁阀，该真空发生器的进气端通过管路与气源相连，出气端与所述气管转接头的进气端连接，该气管转接头的出气端通过所述单向电磁阀与气管相连，进而为所述真空吸盘提供负压；所述真空发生器的进气端与出气端之间串联有真空减压阀；

所述保持架上安装有接近开关，所述真空吸盘可相对保持架上下升降，该真空吸盘上安装有与所述接近开关相对应的挡板；

所述机柜内安装有彼此相连的气动三联件、空气干燥器，所述工作台上安装有静电消除器，该静电消除器通过气动三联件、空气干燥器与所述气源相连；

所述机器人系统还包括安装在工作台上的A轴单自由度机器人，该A轴单自由度机器人的末端分别安装有激光测距传感器及图像识别传感器，相应地在所述工作台上设有图像识别与厚度检测工位，所述原材料片体存放区的模具料盒中的特种电池片通过吸盘架组件吸入到图像识别与厚度检测工位检测合格后再放入所述成品电池堆存放区的模具料盒中进行垒装；

所述模具料盒包括料筒定心底座、电池料筒及料盒本体，该料盒本体安装在所述工作台上，在料盒本体上设有料筒定心底座，所述电池料筒安装在料筒定心底座上，该料筒定心底座内容置有特种电池片；

所述机柜分为上机柜及下机柜，该上机柜内的顶部设有稳定光源，所述上机柜开口的左右两侧安装有用于安全作业防护的安全光栅。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明利用自动化设备进行特种电池片的全自动垒装，能够节省人力并提高生产效率；同时，也降低了特种电池粉尘对人体的危害。

2.本发明利用自动化设备进行特种电池片体的标记点识别以及厚度检测，保证了产品质量的可靠性。

3.本发明利用自动化设备进行特种电池片的全自动垒装，首次实现了该特种电池在行业内的垒装自动化应用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中机柜的结构示意图；

图3为本发明拿掉上机柜后的立体结构示意图；

图4为本发明一种型号吸盘架组件的立体结构示意图；

图5为本发明另一种型号吸盘架组件的立体结构示意图；

图6为本发明工作台上料盒分布示意图；

图7为图3中A轴单自由度机器人的立体结构示意图；

图8为本发明一种型号模具料盒的立体结构示意图；

图9A为本发明另一种型号模具料盒的立体结构示意图；

图9B为本发明再一种型号模具料盒的立体结构示意图；

图10为本发明气动系统与电气元件的结构示意图；

其中：1为机柜，2为安全光栅，3为机器人系统，4为吸盘架组件，5为安全开关，6为工控机，7为工作台，8为模具料盒，9为气动系统，10为上机柜前部左侧面板，11为上机柜前部顶端面板，12为白炽灯光源，13为上机柜前部右侧面板，14为下机柜，15为三坐标桁架机器人X轴，16为三坐标桁架机器人Z轴，17为三坐标桁架机器人Y轴，18为A轴单自由度机器人，19为静电消除器，20为挡板，21为气动三联件，22为空气干燥器，23为气管转接头C，24为真空发生器，25为单向电磁阀，26为真空减压阀，27为保持架，28为气管转接头A，29为气管A，30为真空吸盘A，31为接近开关，32为气管转接头B，33为气管B，34为真空吸盘B，35为图像识别与厚度检测工位，36为废品区工位，37为成品电池堆存放区，38为原材料片体存放区，39为检测传感器支架，40为激光测距传感器，41为图像识别传感器，42为料筒定心底座，43为电池料筒，44为特种电池片，45为料盒本体，46为最小电池片电池料筒，47为最大电池片电池料筒，48为支撑侧板，49为支撑面板，50为减压阀，51为电气元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括机柜1及分别位于该机柜1内的机器人系统3、吸盘架组件4、工作台7、模具料盒8和气动系统9，其中机器人系统3安装在工作台7上，包括三坐标桁架机器人，三坐标桁架机器人Z轴16的末端安装有吸盘架组件4；吸盘架组件4包括保持架27、气管及真空吸盘，该保持架27安装在三坐标桁架机器人Z轴16的末端，气管的一端通过气动系统9与气源连通，另一端与安装在保持架27上的真空吸盘相连通；工作台7上设有原材料片体存放区38、成品电池堆存放区37及废品区工位36，该原材料片体存放区38、成品电池堆存放区37及废品区工位36均设有模具料盒8，模具料盒8位于吸盘架组件4的下方。

如图1、图2所示，本实施例的机柜1分为上机柜及下机柜14，该上机柜包括上机柜前部左侧面板10、上机柜前部顶端面板11及上机柜前部右侧面板13，在上机柜内的顶部设有稳定光源，本实施例的稳定光源为白炽灯光源12。在上机柜开口的左右两侧(即上机柜左侧面板10与上机柜右侧面板13上)安装有安全光栅2，用于安全作业防护。上机柜右侧面板13上安装有安全开关5及工控机6，分别用于安全急停及设备操作控制。

如图1、图3及图7所示，工作台7安装在下机柜14内，机器人系统3中的三坐标桁架机器人为现有技术，包括三坐标桁架机器人X轴15、三坐标桁架机器人Z轴16及三坐标桁架机器人Y轴17，其中三坐标桁架机器人Z轴16的Z轴电机带抱闸，通过X轴电机、Z轴电机及Y轴电机可实现吸盘架组件4在X轴(工作台宽度方向)、Y轴(工作台长度方向)、Z轴(垂直于工作台的竖直方向)上往复移动。吸盘架组件4安装于三坐标桁架机器人Z轴16的末端，静电消除器19安装于工作台7上，位于模具料盒8的一侧。本实施例的机器人系统3还包括安装在工作台7上的A轴单自由度机器人18，其往复移动方向与X轴平行；该A轴单自由度机器人18具有检测传感器支架39，在检测传感器支架39的末端分别安装有激光测距传感器40及图像识别传感器41，用于进行特种电池片的标记点识别与厚度检测。本实施例的A轴单自由度机器人18为现有技术。

如图3～5及图10所示，气动系统9包括气动三联件21、空气干燥器22、静电消除器19、减压阀50，还包括分别安装在保持架27上的真空发生器24、气管转接头及单向电磁阀25，该气动三联件21、空气干燥器22及减压阀50分别安装在下机柜14内，气动三联件21与空气干燥器22相连，气动三联件21的进气端通过气管A29与气源相连，经空气干燥器22输出的气体分为两路，其中一路通过减压阀50与静电消除器19连接，另一路接至保持架27上的真空发生器24的进气端，真空发生器24的进气端与出气端之间串联有真空减压阀26，真空发生器24的出气端与气管转接头的进气端连接，该气管转接头的出气端通过单向电磁阀25与气管相连，进而为真空吸盘提供负压。本实施例的吸盘架组件4分为图4、图5两种型号，能够共用一个气动系统；如图4所示，保持架27上安装了一个气管转接头C23、三个单向电磁阀25、三组气管A29，每组的两个气管A29的上端均连接有气管转接头A28(直角90°)，下端均连接有真空吸盘A30；每个单向电磁阀25的出气端分为两路，分别与一组中的两个气管A29上端的气管转接头A28连接。气管转接头C23的进气端与真空发生器24的出气端连接，气管转接头C23的三个出气端分别与三个单向电磁阀25的进气端连接。本实施例的气动三联件21为市购产品，购置于日本SMC公司，型号为AC—30—03DG—V—B；真空吸盘A30为市购产品，购置于日本SMC公司，真空吸盘A30可相对保持架27上下升降。保持架27上安装有接近开关31，真空吸盘A30上安装有与接近开关31相对应的挡板20。图4的吸盘架组件4中气管A29的直径为φ6，真空吸盘A30的直径为φ8。图5的吸盘架组件4结构相同，区别是真空吸盘B34采用了更加小型化的φ2真空吸盘，并配备相应的气管B33(直径为φ4)和气管转接头B32(φ4转φ6)，这样两种型号的吸盘架组件4能够满足抓取特种电池片全部直径规格的要求(特种电池片直径规格为φ16～φ70mm)。

本实施例的工作台7为一个组合部件，用于安装机器人系统3、模具料盒8及静电消除器19。如图6所示，本实施例的工作台7上共有18个模具料盒工位，分为4个功能区域，即原材料片体存放区38(9个模具料盒工位)、成品电池堆存放区37(6个模具料盒工位)、图像识别与厚度检测工位35(1个模具料盒工位、且为固定工位)、废品工位区36(2个模具料盒工位)。图像识别与厚度检测共用一个工位。在工作台7上预留有穿线孔，能够进行设备线缆、气管等走线。

如图8、图9A及图9B所示，模具料盒8包括料筒定心底座42、电池料筒43及料盒本体45，该料盒本体45安装在工作台7上，在料盒本体45上设有料筒定心底座42，电池料筒43安装在料筒定心底座42上，该料筒定心底座42内容置有特种电池片44。本实施例的料盒本体45上设置了三个料筒定心底座42，每个料筒定心底座42上均安装一个中空的电池料筒43；因此，模具料盒8单次最多能够进行3垛特种电池片的码放。通过更换不同规格类型的电池料筒43，如最小电池片电池料筒46(可装16mm的特种电池片)、最大电池片电池料筒47(可装70mm的特种电池片)，能够保证兼容全部直径规格特种电池片(φ16～φ70mm)。

如图10所示，模具料盒8是安装于工作台7的上方，通过支撑侧板48与支撑面板4的9组合进行模具料盒8的定位。气动系统9以及电气元件51分别安装于下机柜14内部，本实施例的气动系统9中的气管A29直径为φ6。通过工作台7上预留的穿线孔将电缆线、气管A29引出到工作台7的台面以上，与机器人系统3以及吸盘架组件4、静电消除器19进行连接。

本实施全例的电气元件51包括控制器、驱动器及继电器，控制器与工控机6连接，控制器的输出分别连接四个驱动器，四个驱动器分别与三坐标桁架机器人的X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及A轴单自由度机器人的电机连接，X轴电机、Y轴电机、Z轴电机以及A轴单自由度机器人的电机上均带有编码器，四个电机的编码器分别与控制器连接。另外，控制器的输出还通过继电器分别与减压阀50、真空减压阀26连接。本实施例的激光测距传感器40及图像识别传感器41分别与工控机连接。厚度检测是通过激光测距传感器40实现的，利用激光测距传感器40检测到图像识别与厚度检测工位35之间的距离，然后在图像识别与厚度检测工位35上放入特种电池片，再利用激光测距传感器40检测到特种电池片之间的距离，两次检测的距离差即为特种电池片的厚度。图像识别是通过图像识别传感器41实现的，利用图像识别传感器41去识别特种电池片上的标记点即可。本实施例的接近开关31也与工控机6连接。

本发明的工作原理为：

垒装机工作时，人工预先在工控机6中进行特种电池片垒装顺序的程序编写，并含有图像识别与厚度检测过程，机器人系统3按照工控机程序执行特种电池片的垒装过程。在成品电池堆存放区全部装满后，设备停止运行并报警提示，人工将成品电池堆下料，然后进行下一个自动化垒装过程。具体步骤为：

A.在原材料片体存放区38进行特种电池片44原材料的上料摆放(电池片A、电池片B、电池片C……)，并记录数量。

B.开启设备，通过工控机6将想要生产的成品电池堆进行顺序上的程序编写，并进行保存。

C.点击工控机6开始键，设备自动运行程序开始，按照编写程序在成品电池堆存放区37根据程序编写中成品电池堆的顺序进行逐片垒装，当所有模具料盒均完成垒装后，设备报警提示并停止运行。垒装过程中，原材料片体存放区38的模具料盒8中的特种电池片44通过吸盘架组件4吸入到图像识别与厚度检测工位35检测是否合格，合格后再放入成品电池堆存放区37的模具料盒8中进行垒装；不合格的特种电池片44通过三坐桁架机器人带动吸盘架组件4放入废品区工位36的模具料盒8。以图4所示型号的吸盘架组件4为例，具体操作为：吸盘架组件4由三坐标桁架机器人驱动，移动至原材料片体存放区38上方后停止；三坐标桁架机器人Z轴16带动吸盘架组件4向下移动，真空吸盘A30与模具料盒8中的特种电池片44接触，同时真空吸盘A30向上移动，直至接近开关31接收到挡板20的信号传递给工控机6；然后，三坐标桁架机器人Z轴16带动吸盘架组件4上升，再通过三坐标桁架机器人带动吸盘架组件4移动到下一工位。

D.人工将成品电池堆存放区37所有成品电池堆进行下料。

E.设备自动运行过程中，按照程序编写设定进行自动运行，图像识别与检测过程如下：

(1)图像识别(电池片A)

当三坐标桁架机器人驱动吸盘架组件4抓取电池片A后，会自动将电池片A运送至图像识别与厚度检测工位35，进行电池片A表面标记点识别，若电池片A合格(标记点的直径在φ3～φ7mm之间)，则将其自动放入成品电池堆存放区37；若电池片A不合格，则将其自动放入废品区工位36。

(2)厚度检测(电池片B/电池片C)

当三坐标桁架机器人驱动吸盘架组件4抓取电池片B(或电池片C)后，会自动将电池片B(电池片C)运送至图像识别与厚度检测工位35，进行电池片B(电池片C)厚度检测，若电池片B(电池片C)合格，则将其自动放入成品电池堆存放区37；若电池片B(电池片C)不合格，则将其自动放入废品区工位36。电池片的直径不同，厚度检测的合格范围也不同；以φ32的电池片为例，厚度检测在0.5mm±0.2范围内即为合格。

F.设备自动停止运行，以下几种情况也包含在内：

(1)原材料片体存放区38材料不足；

(2)人工开启急停安全开关5；

(3)安全光栅2收到信号，有外界物质介入；

(4)真空压力不足，真空故障。

G.设备在工控机程序设定时考虑可扩展性，即特种电池片原材料不限于3种类型，能够进行外部扩展，增加特种电池片种类。

Claims (5)

1.一种特种电池片全自动垒装机，其特征在于：包括机柜（1）及分别位于该机柜（1）内的机器人系统（3）、吸盘架组件（4）、工作台（7）、模具料盒（8）和气动系统（9），其中机器人系统（3）安装在工作台（7）上，包括三坐标桁架机器人，三坐标桁架机器人Z轴（16）的末端安装有吸盘架组件（4）；所述吸盘架组件（4）包括保持架（27）、气管及真空吸盘，该保持架（27）安装在所述三坐标桁架机器人Z轴（16）的末端，所述气管的一端通过气动系统（9）与气源连通，另一端与安装在保持架（27）上的真空吸盘相连通；所述工作台（7）上设有原材料片体存放区（38）、成品电池堆存放区（37）及废品区工位（36），该原材料片体存放区（38）、成品电池堆存放区（37）及废品区工位（36）均设有模具料盒（8），所述模具料盒（8）位于吸盘架组件（4）的下方；所述原材料片体存放区（38）内模具料盒（8）的特种电池片（44）通过三坐桁架机器人带动吸盘架组件（4）向成品电池堆存放区（37）内的模具料盒（8）垒装，不合格的特种电池片（44）通过三坐桁架机器人带动吸盘架组件（4）放入废品区工位（36）的模具料盒（8）；

所述气动系统（9）包括分别安装在保持架（27）上的真空发生器（24）、气管转接头及单向电磁阀（25），该真空发生器（24）的进气端通过管路与气源相连，出气端与所述气管转接头的进气端连接，该气管转接头的出气端通过所述单向电磁阀（25）与气管相连，进而为所述真空吸盘提供负压；

所述保持架（27）上安装有接近开关（31），所述真空吸盘可相对保持架（27）上下升降，该真空吸盘上安装有与所述接近开关（31）相对应的挡板（20）；

所述机器人系统（3）还包括安装在工作台（7）上的A轴单自由度机器人（18），该A轴单自由度机器人（18）的末端分别安装有激光测距传感器（40）及图像识别传感器（41），相应地在所述工作台（7）上设有图像识别与厚度检测工位（35），所述原材料片体存放区（38）的模具料盒（8）中的特种电池片（44）通过吸盘架组件（4）吸入到图像识别与厚度检测工位（35）检测合格后再放入所述成品电池堆存放区（37）的模具料盒（8）中进行垒装。

2.根据权利要求1所述的特种电池片全自动垒装机，其特征在于：所述真空发生器（24）的进气端与出气端之间串联有真空减压阀（26）。

3.根据权利要求1所述的特种电池片全自动垒装机，其特征在于：所述机柜（1）内安装有彼此相连的气动三联件（21）、空气干燥器（22），所述工作台（7）上安装有静电消除器（19），该静电消除器（19）通过气动三联件（21）、空气干燥器（22）与所述气源相连。

4.根据权利要求1所述的特种电池片全自动垒装机，其特征在于：所述模具料盒（8）包括料筒定心底座（42）、电池料筒（43）及料盒本体（45），该料盒本体（45）安装在所述工作台（7）上，在料盒本体（45）上设有料筒定心底座（42），所述电池料筒（43）安装在料筒定心底座（42）上，该料筒定心底座（42）内容置有特种电池片（44）。

5.根据权利要求1所述的特种电池片全自动垒装机，其特征在于：所述机柜（1）分为上机柜及下机柜（14），该上机柜内的顶部设有稳定光源，所述上机柜开口的左右两侧安装有用于安全作业防护的安全光栅（2）。

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