CN112179307B - 一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，包括固定架(1)、激光线扫描仪(2)、三维轮廓检测仪(3)、轮廓扫描仪导轨(4)、同步伺服电机(5)、线扫描仪导轨(6)、可移动定位销(7)、定位销导轨(8)、多孔定位板(9)，通过激光线扫描仪(2)获取金属双极板流道截面特征信息，通过三维轮廓检测仪(3)获取金属双极板在自由状态下的整体翘曲形貌和固定状态下的平面度信息，通过可移动定位销(7)和多孔定位板(9)对不同尺寸金属双极板的固定和定位。与现有技术相比，本发明通过一次检测即可完整获取双极板的误差信息，显著提升测试效率，易于调节、适用性强。

Description

一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置

技术领域

本发明涉及燃料电池金属双极板，尤其是涉及一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置。

背景技术

金属双极板是燃料电池的关键部件之一，被称之为燃料电池的骨架，其作用是收集并传导电流、分隔反应气体、提供冷却水通道、支撑电池等。出于对燃料电池能量转化效率和生产经济性的双重考量，现有金属双极板多通过0.1mm左右厚度的超薄金属板冲压制备。由于超薄板材加工的困难和冲压过程难以避免的回弹现象，成形后的双极板会存在一定的成形误差。同时，由于金属双极板特征结构多在亚微米尺度，对成形精度要求较高，因而如何快速且全面地获得双极板成形误差信息，对于模具设计和实际加工过程具有重要的指导意义。

金属双极板成形误差的来源主要包含两个方面。首先，是在自由状态下双极板的整体翘曲和固定状态下双极板表面的平面度误差，这两部分误差体现在双极板的厚度方向，尺度在毫米和亚毫米范围内。在后续装配过程中，上述误差的存在会导致双极板之间压力分布的不均匀，进而产生局部过热等不利影响。其次，是双极板微细沟槽结构的成形误差，沟槽结构作为反应气体和冷却水的传输通道，其成形精度可直接影响燃料电池的整体性能。该部分的尺度在微米数量级。

可以发现，对于双极板成形误差的测量，涉及到两种数量级不同的误差来源。因此，如何在一套测量设备中，针对双极板全面准确地测量各部分的成形误差，是需要解决的主要问题，但该方面的研究仍未见报道。

经现有文献检索发现，中国专利公开号为：CN202452968U，名称为：三维表面形貌的测量台架，包含测量仪、测量平台、XYZ三轴移动装置，测量仪安装在对应的移动装置上。该技术的缺点是：仅包含单一Z轴方向测量仪，难以满足金属双极板多种误差的测量；同时，未对测量误差、精度和速率做出说明，无法直接应用于金属双极板误差测量。

又经文献检索发现，中国专利公开号为：CN209147920U，名称为：一种表面全场微观三维形貌自动检测仪，包含步进电机滑台、底座、X/Y向步进电机导轨、接触式电感传感器、激光移位传感器、传感器连接件、CCD相机等，所述的CCD摄像头能进行检测前的路径规划及检测过程中的路径纠偏。该技术的缺点是：该装置探头主要为获取微米级别的表面微观结构信息，针对金属双极板毫米级的整体翘曲和平面度误差进行测量较为困难；同时其测量范围有限，测量速度低，难以满足双极板大面积测量需求。

再经文献检索发现，中国专利公开号为：CN209857855U，名称为：一种大视场表面形貌测量仪，其包含载物台，载物台包括正方体状的载物台本体，载物台本体内设有空腔，载物台本体的前后侧面上均设有两个连通空腔的通孔；载物台本体的前后两侧处均设有用于对载物台本体上的待测工件进行夹持的夹持板，空腔内对应夹持板且沿前后方向可滑动。该技术的缺点是：该测量仪主要测量物体表面的微纳结构信息，难以对双极板的整体翘曲误差进行测量，且其加持方案无法满足金属双极板的定位需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用性强，误差测量全面的燃料电池金属双极板成形误差检测装置，可满足不同尺寸金属双极板整体形貌误差和流道微结构成形误差同时测量的测量要求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于：包括固定架、激光线扫描仪、三维轮廓检测仪、轮廓扫描仪导轨、同步伺服电机、线扫描仪导轨、可移动定位销、定位销导轨、多孔定位板，所述的激光线扫描仪固定在固定架上，通过激光线扫描仪获取金属双极板流道截面特征信息，所述的三维轮廓检测仪安装在轮廓扫描仪导轨上，通过三维轮廓检测仪获取金属双极板在自由状态下的整体翘曲形貌和固定状态下的平面度信息，通过上述两种检测手段的结合获取金属双极板成形误差的完整信息；所述的可移动定位销安装在定位销导轨上，待检测金属双极板固定在多孔定位板上，通过可移动定位销和多孔定位板对不同尺寸金属双极板的固定和定位。

所述的三维轮廓检测仪安装在一支架上，该支架呈L状，一端安装三维轮廓检测仪，另一端设有滑动块，该滑动块设置在轮廓扫描仪导轨上，带动三维轮廓检测仪沿X轴方向移动。

所述三维轮廓检测仪的基本参数要求为：单次检测时间小于1s，检测范围不小于200mm×200mm，高度方向重复定位精度小于50μm，以满足连续生产检测过程中对不同尺寸金属双极板整体翘曲和表面平面度测量的效率和精度需求。三维轮廓检测仪可选择Keyence CV-X机器视觉检测系统。

所述的固定架呈无底框架状，横跨在多孔定位板上，固定架顶部横梁上安装至少一个激光线扫描仪，两侧立柱安装在线扫描仪导轨上，所述的同步伺服电机驱动固定架带动激光线扫描仪在线扫描仪导轨上沿X轴方向运动。

所述的激光线扫描仪的基本参数要求为：检测速率不低于10次/s以保证对双极板各个长度方向进行均匀取点测量；线宽不低于10mm，以保证每次测量至少可检测7根流道宽度以降低由于整体平面度造成的误差；重复测量精度小于1μm以满足流道尺寸误差测量要求，基于实际测量需要可布置多台激光线扫描仪。激光线扫描仪可选择Keyence LJ-X8000线激光测量仪。

所述的多孔定位板上开有阵列状小孔，多孔定位板下方为空腔，连接真空泵，多孔定位板上小孔用于三维轮廓检测仪的定位校准，且在放置金属双极板时通过真空吸附方式对其予以固定。

所述的多孔定位板上的小孔孔径为1mm，小孔间距为10mm。小孔均匀分布以保证双极板各处的受力均匀。

所述的定位销导轨为双向导轨，包括X向导轨和Y向导轨，所述的可移动定位销置于双向导轨上，可在X和Y两方向进行移动。

所述的可移动定位销包含转轴，可进行90度旋转，转动可移动定位销，可将定位销水平放置以解除定位功能，以保证和金属双极板不发生干涉现象。

所述的三维轮廓检测仪采用激光轮廓仪发射器和激光轮廓接收仪替代。将激光轮廓仪发射器设置在多孔定位板相邻两侧，激光轮廓接收仪设置在剩余两侧。这种激光轮廓仪发射器和激光轮廓接收仪可选择Keyence TM-3000系列二维高速投影尺寸测量仪，该种检测方式可快速(检测速度不小于1s/次)获取双极板的最大翘曲度和最大平面度误差。

本发明涉及一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，该装置由三维轮廓检测仪、激光线扫描仪、同步伺服电机、多孔定位板、可移动定位销、导轨、固定架等组成。三维轮廓检测仪用以检测金属双极板整体翘曲形貌及平面度信息。激光线扫描仪用于检测金属双极板流道截面形貌信息。多孔定位板用于待测金属双极板的放置和固定，其上的孔位可用于机器视觉定位以及金属双极板的真空吸附式固定。可移动定位销用于双极板位置的定位，可通过导轨进行位置调整。本发明基于金属双极板实际检测需求，通过多孔定位板和可移动定位销的设计解决了双极板测量过程中的固定和定位问题。针对金属双极板成形误差的两种主要来源：整体翘曲和局部结构误差，本发明将两种测试方法相结合，通过一次检测即可完整获取双极板的误差信息，显著提升测试效率。该装置易于调节、适用性强，是一种适合于燃料电池金属双极板的成形误差检测装置

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将两种不同的测量方式相结合，基于三维轮廓检测仪获取金属双极板整体翘曲和表面平整度信息，基于激光先扫描仪获取流道截面信息，从而通过一次测量过程完成两种不同来源和数量级误差的测量；同时，可通过对两种误差的分析计算，将平整度误差对流道截面误差的贡献部分去除，从而得到更为精确的流道结构成形结果，更好的指导实际工艺过程。

(2)通过多孔定位板和可移动定位销相结合，解决了金属双极板的固定和定位问题，使双极板可快速实现自由状态和固定状态两种测量状态的转化，并扩展了装置的适用范围。

(3)本发明装置多孔定位板为独立部件，可根据实际双极板尺寸进行快速更换，同时定位销可沿XY两方向进行运动，故可检测尺寸变化较大的双极板，检测范围可从20mm×20mm～200mm×200mm。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明整体俯视图；

图3为本发明整体主视图；

图4为本发明实施例二整体示意图；

图5为本发明可移动定位销的结构示意图；

图中：1-固定架；2-激光线扫描仪；3-三维轮廓检测仪；4-轮廓扫描仪导轨；5-同步伺服电机；6-线扫描仪导轨；7-可移动定位销；8-定位销导轨；9-多孔定位板；10-定位孔；11-激光轮廓仪发射器；12-激光轮廓仪接收器；13-定位销头；14定位销体；15-转轴；16-X方向导轨；17-Y方向导轨；18-支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

参照图1-图3所示，一种燃料电池金属双极板成形误差测量装置，包括固定架1、激光线扫描仪2、三维轮廓检测仪3、轮廓扫描仪导轨4、同步伺服电机5、线扫描仪导轨6、可移动定位销7、定位销导轨8、多孔定位板9；

固定架1呈无底框架状，横跨在多孔定位板9上，固定架1顶部横梁上安装至少一个激光线扫描仪2(本实施例中安装有3个激光线扫描仪)，两侧立柱安装在线扫描仪导轨6上，所述的同步伺服电机5驱动固定架1带动激光线扫描仪2在线扫描仪导轨6上沿X轴方向运动；所述的激光线扫描仪2的基本参数要求为：检测速率不低于10次/s，线宽不低于10mm，且重复测量精度小于1μm，通过激光线扫描仪2获取金属双极板流道截面特征信息。

所述的三维轮廓检测仪3安装在一支架18上，该支架18呈L状，一端安装三维轮廓检测仪3，另一端设有滑动块，该滑动块设置在轮廓扫描仪导轨4上，带动三维轮廓检测仪3沿X轴方向移动。所述三维轮廓检测仪3的基本参数要求为：单次检测时间小于1s，检测范围不小于200mm×200mm，高度方向重复定位精度小于50μm，以满足对不同尺寸金属双极板整体翘曲和表面平面度测量的效率和精度需求。

可移动定位销7安装在定位销导轨8上，可在一定范围内沿X/Y两方向进行移动，且根据实际需要可以旋出或水平放置；具体结构如图5所述，定位销头13通过转轴15与定位销体14相连，可进行90度旋转；定位销体14与X方向导轨16连接，可沿X方向进行滑动；X方向导轨16与Y方向导轨17连接，可沿Y方向进行滑动。

多孔定位板9上开有阵列状定位孔10，小孔孔径为1mm，小孔间距为10mm。背部为空腔，可加装真空泵，用于三维形貌扫描仪3测量定位和双极板真空吸附固定。多孔定位板9上小孔用于三维轮廓检测仪3的定位校准，且在放置金属双极板时通过真空吸附方式对其予以固定。

测量过程中，双极板首先以自由状态放置于多孔定位板9上，此时所有可移动定位销7均处于水平状态；三维轮廓扫描仪3通过定位孔10进行测量定位和校准，并对双极板进行轮廓扫描，获取双极板整体翘曲信息；随后，将可移动定位销7旋出并通过定位销导轨8调节至合适位置，将双极板通过真空吸附方式固定至多孔定位板9上，四角通过可移动定位销7进行定位；定位完成后，通过三维轮廓扫描仪3进行轮廓扫描，获取双极板平面度信息；之后，激光线扫描仪2通过线扫描仪导轨6沿双极板流道方向开始进行扫描，激光线扫描仪6的布置个数和扫描位置由实际情况决定，扫描得到双极板流道成形信息；将上述信息综合，即可得到双极板成形误差的全部信息。

实施例2：

参照图4所示，一种燃料电池金属双极板成形误差测量装置，与实施例1类似，其区别在于，去掉三维轮廓扫描仪3，代之以激光轮廓仪发射器11和激光轮廓接收仪12，该种检测方式可快速获取双极板的最大翘曲度和最大平面度误差，相比实施例1效率更高，但难以准确定位最大误差位置，适合对效率要求较高的全检过程。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于：包括固定架（1）、激光线扫描仪（2）、三维轮廓检测仪（3）、轮廓扫描仪导轨（4）、同步伺服电机（5）、线扫描仪导轨（6）、可移动定位销（7）、定位销导轨（8）、多孔定位板（9），所述的激光线扫描仪（2）固定在固定架（1）上，通过激光线扫描仪（2）获取金属双极板流道截面特征信息，所述的三维轮廓检测仪（3）安装在轮廓扫描仪导轨（4）上，通过三维轮廓检测仪（3）获取金属双极板在自由状态下的整体翘曲形貌和固定状态下的平面度信息，通过上述两种检测手段的结合获取金属双极板成形误差的完整信息，从而通过一次测量过程完成两种不同来源和数量级误差的测量；同时，通过对两种误差的分析计算，将平整度误差对流道截面误差的贡献部分去除，从而得到更为精确的流道结构成形结果；所述的可移动定位销（7）安装在定位销导轨（8）上，待检测金属双极板固定在多孔定位板（9）上，通过可移动定位销（7）和多孔定位板（9）对不同尺寸金属双极板的固定和定位，使双极板可快速实现自由状态和固定状态两种测量状态的转化；

所述的激光线扫描仪（2）的基本参数要求为：检测速率不低于10次/s，线宽不低于10mm，且重复测量精度小于1μm；

所述三维轮廓检测仪（3）的基本参数要求为：单次检测时间小于1s，检测范围不小于200mm×200mm，高度方向重复定位精度小于50μm，以满足对不同尺寸金属双极板整体翘曲和表面平面度测量的效率和精度需求；

所述的多孔定位板（9）上开有阵列状小孔，多孔定位板（9）下方为空腔，连接真空泵，多孔定位板（9）上小孔用于三维轮廓检测仪（3）的定位校准，且在放置金属双极板时通过真空吸附方式对其予以固定；

所述的多孔定位板（9）上的小孔孔径为1mm，小孔间距为10mm，小孔均匀分布；所述的定位销导轨（8）为双向导轨，包括X向导轨和Y向导轨，所述的可移动定位销（7）置于双向导轨上，可在X和Y两方向进行移动；多孔定位板为独立部件，可根据实际双极板尺寸进行快速更换，同时定位销可沿XY两方向进行运动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于，所述的三维轮廓检测仪（3）安装在一支架（31）上，该支架（31）呈L状，一端安装三维轮廓检测仪（3），另一端设有滑动块，该滑动块设置在轮廓扫描仪导轨（4）上，带动三维轮廓检测仪（3）沿X轴方向移动。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于，所述的固定架（1）呈无底框架状，横跨在多孔定位板（9）上，固定架（1）顶部横梁上安装至少一个激光线扫描仪（2），两侧立柱安装在线扫描仪导轨（6）上，所述的同步伺服电机（5）驱动固定架（1）带动激光线扫描仪（2）在线扫描仪导轨（6）上沿X轴方向运动。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于，所述的可移动定位销（7）包含转轴，可进行90度旋转，转动可移动定位销（7），可将定位销水平放置以解除定位功能。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板成形误差检测装置，其特征在于，所述的三维轮廓检测仪（3）采用激光轮廓仪发射器（11）和激光轮廓接收仪（12）替代。

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