锂电池10大关键制造工艺设备-方壳装配线设备技术详解！

方形电池即铝壳电池，是用铝壳包装而成的电池，采用激光封口工艺，全密封，铝壳技术已非常成熟，且对材料技术如气胀率、膨胀率等指标要求不高，是国内较早推广的一种动力电池形式。相对于其他两种锂电池，方形电池在市场使用中的优点比较突出，总结有以下几点：

①方形电池封装可靠度高；

②系统能量效率高；

③相对质量轻，能量密度较高；

④结构较为简单，扩容相对方便，是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项；

⑤单体容量大，系统构成相对简单，使得对单体的逐一监控成为可能，系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对较好。

设备主要功能及描述

1.1 铝壳（方形）锂电池装配设备

铝壳锂电池装配线用于动力电池中段装配，是动力电池生产过程的重要环节，对于电池的性能、精度都有举足轻重的影响，因此该装配线设备的自动化程度、操作的准确性等越来越受到市场的关注。本节将介绍一条非常成熟以及在市场上经得起考验并受到认可的电池装配线，该装配线设备有以下一些特点：

①兼容性强，可以根据客户的要求，从而兼容多种不同系列产品。

②模块化设计，换型时间短、零件少、成本低。

③装配精度高，视觉及机械双重定位方式，提高定位精度。

④可根据客户不同工艺路线的电芯实现全自动装配线的非标定制。

⑤工艺设备布局合理，节省空间，整线全自动化，人力成本很低。

⑥高制造品质保证，全参数检测与监控。

⑦电池安全性和一致性的制造保证。

本自动生产线用于实现方形铝壳锂离子动力电池卷绕后电芯的自动装配，生产线主要由以下几大部分组成：热压测试机、X射线机、配对机、超声波焊接机、转接片焊接机、合芯机、包膜／热熔／贴胶机、入壳预点焊机、激光顶盖焊接机、氦检机。实现电芯热压、X射线检测、极耳预焊配对、转接片极耳焊接、背面贴胶、盖板激光焊接、贴胶、折极耳合芯、包胶、包膜、入壳、顶盖封口焊接等功能，在整个过程中实现全自动化。整体布局合理，各设备结构紧凑，全程自动监控、智能化，各设备可实现追溯功能，连接MES系统，可实时上传数据到系统，设备运行稳定，关键部件均采用进口品牌或国际一线品牌，该装配线在其他客户工厂大批量投入生产，得到充分验证，各设备技术成熟。

1.2 装配产线未来的发展趋势

铝壳（方形）电池生产线使用时间比较长，相应的技术已经非常成熟，现有的装配线设备也大同小异。未来的发展趋势，除了从材料方面继续改善，找到高性能的电芯材料外，对于电池装配生产线而言，高效率、低成本等依然是动力锂电池未来发展的方向，对现有市场发展概况总结后有以下几点值得关注：

①电池本体的性能方面，比如电池尺寸、能量密度、多极耳结构等。

②装配生产效率，在保证设备成本改动不大的情况下，不断提升生产效率。

③电池装配线的自动化程度不断提升，同时生产的良率更容易控制。合理控制每个工序的制作时间，从而有效缩短锂电池的生产时间，而且极大改善了工人的劳动强度大和生产成本高的问题。

④兼容性更好，适合更大范围的产品。

⑤模块化技术是提高效率的重要途径。

1.3 铝壳（方形）锂电池生产装配线的设计

对于铝壳锂电池产线的设计，针对客户提出的要求会有不同的设计。根据在生产过程中遇到的问题及相应的实践，主要要从以下几个方面去考虑：

①产品的工艺：包括电池的大小、极耳的大小、焊接的厚度等。

②厂房空间大小：合理安排生产线设备的具体 位置，以及要优化的机构等，还要考虑人机工程，人工操作的方便性，以及后期维护的可操作性。

③设备设计：结构越简单越好，这样操作更容易。

④生产线中节拍的分配：重点考虑瓶颈工位的效率，如果效率达不到，考虑将单工位改动为双工位甚至多工位，同时高的安全性能和直通良率也是重点关注的点。

⑤产品定位方式：对于客户不同的需求，采用不同的产品定位方式，比如侧边定位、以两边为基准定位、夹具定位等。

⑥粉尘防止装置：圆柱电池装配线设备中基本都是每个需要除尘的设备中都有相应的除尘设施，比如集尘器、毛刷等。

⑦设备中的物流设计：包括设备内部的输送、设备之间的输送等。

⑧质量检测：整套装配线中会设计CCD检测、电芯测厚检测、绝缘检测、短路检测等。

⑨生产线的外观的一致性，保持整套设备的美观。

设备组成及关键结构

铝壳锂电池装配线设备整体布局如下：

①整线尺寸：长×宽×高=3700mm×7000mm×2400mm（高度不包括报警灯），操作面高度900mm，设备间距800～1000mm。

②外观：受力底架采用方通焊接结构，上部密封框架采用铝合金型材结构，用有机玻璃进行密封，设备外罩整体用钣金包覆。

③操作界面：每台设备均设有独立操作的触摸屏，所有设备的触摸屏全部采用嵌入式。

④整线布局：铝壳电池装配线布局如图1所示。

图1 铝壳电池装配线布局

本生产线是全自动生产线，包含了铝壳电池从热压机至氦检机的全部生产过程，如图2铝壳电池整体工艺所示，即：卷绕到热压输送线（包含卷绕机上取料机械手6套）→热压机→超声波焊接机→转接片激光焊接机→包麦拉机→入壳和预点焊接机→顶盖激光焊接机→气密性检测机。

图2 铝壳电池整体工艺

2.1 热压机

热压机设备用于卷绕电芯的热压成型，主要功能包含：电芯来料扫码、A/B电芯分别自动上料、热压、Hi-pot测试、不良品剔除。热压温度、压力、时间及Hi-pot测试参数及结果与条码对应关联，并上传到MES系统中。该设备主要包含电芯上下料模块、检测模块、热压模块等。该设备是装配铝壳电芯的第一道工序，热压卷绕电芯成型的效果直接影响后续的加工成品质量，因此该装配设备的效率、工作精度、自动化程度都是需要重点考量的。其设备布局以及工艺流程如图3和图4所示。

图3 热压机设备布局

图4 热压机工艺流程

由图4可以清晰看出卷绕电芯在热压机上的操作过程，工作过程中设备对卷绕电芯热压后并进行检测，并将检测结果包括热压温度、压力、时间及Hi-pot等上传到MES系统中，进行实时跟进反馈，剔除不良品，保证加工质量。

从图3的设备布局图中可知，热压机设备中上下料机械手组件、进出转移拉线、转移机械手、错位分料机构、热压组件等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①错位分料机构。如图5所示为错位分料机构，其中翻转定位模块的作用是：翻转机构使用皮带伺服驱动，实现夹具翻转和连接板同步翻转，夹具始终保持水平，翻转平稳可靠。定位夹具使用夹爪气缸、双联杆气缸夹紧和定位；与电芯接触面使用POM材料。

图5 错位分料机构

②上下移载模块。上下移载模块如图6所示，其主要完成的动作为：平移使用同步带伺服模组，双皮带驱动，增加上下料模组移动的平稳性能；上下料模组进出料使用皮带伺服，独立伺服控制；夹爪升降使用丝杆气缸升降；变距机构使用伺服驱动连杆机构，以中间连杆为定位基准，实现同步变距，伺服可控制夹爪等距尺寸，实现热压机在不同工作位置平移模组同步进出料。

图6 上下移载模块

③热压组件。热压机设备的热压组件如图7所示，对其详细说明如下：

图7 热压组件

主要部件：增压缸（压力20t、6层）、发热管、温控器、压力传感器等。

动作流程：对电芯进行热压和Hi-pot测试。

2.2 超声波焊接机

超声波焊接机主要通过电芯扫码、机械手自动取配对电芯、电芯校正与极性检测、转接片储片极性检测与校正、转接片上焊接治具、电芯上焊接治具、放保护盖板、超声波焊接与抽尘、焊印整形、贴胶与贴胶检测、自动下料等工序完成电芯超声波焊接。该设备实现电芯配对后至包膜前的电芯扫码、超声波焊接、贴胶及信息绑定。主要包括：电芯进站扫码、电芯校正上料、转接片校正上料、贴胶检查、信息绑定上传（MES系统）等功能。其设备布局图如图8所示。

图8 超声波焊接机设备布局

其中抓取机上装有颜色传感器来识别电芯的正负极耳，确保极耳不会配对出错。电芯从来料输送带上被机械手抓取，经过电芯二次定位后，再放入托盘中，保证A/B电芯极耳错位误差≤±0.2mm。电芯放置在托盘内采用居中对准，在放入电芯之前，托盘四周的弹性夹子会张开，然后机械手把电芯放入托盘中，夹子闭合，电芯被定位在托盘正中。本设备是自动生产线，详细工艺流程图如图9所示。

图9 超声波焊接机详细工艺流程图

设备组成及关键结构

从图8超声波焊接机设备布局图中可知，电芯上料模块、电芯超声波焊接循环线和夹具模块、转接片、保护片上料模块、保护片盖板上下料模块、超声波正负极焊接模块、焊印压平模块、电芯贴上保护胶模块、电芯贴下保护胶模块、电芯下料模块、贴胶检测等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①电芯上料模块（图10）。具备电芯自动上料、来料除尘、来料防呆、来料缓存、缺料报警功能，同时具备电芯扫码绑定功能。

图10 电芯上料模块

a．主要零部件：平移机构+升降机构、电芯夹爪等。

b．动作流程：电芯上料搬运使用皮带模组，搬运机械手1从客户端物流线托盘中抓取一组电芯到二次定位机构；电芯二次定位后搬运机械手2将电芯抓取到循环线体。如果在上料过程中检测出两组电芯中有单组NG电芯，由搬运机械手1将NG电芯放回NG线体，再将OK单组电芯放入配对机构等待配对。

②电芯超声波焊接循环线和夹具模块。

a．主要零部件：循环线、模组、长短边定位块、气缸、导轨等。

b．动作流程（无动作流程写功能说明）：电芯上料机械手2将电芯上料到循环线夹具，夹具夹紧电芯，平移机构带动夹具平移到下一个工位。

超声波焊接环线示意图如图11所示。

图11 超声波焊接环线示意图

③转接片、保护片上料模块（图12）。

图12 转接片、保护片上料模块示意图

a．铜铝转接片上料有防呆措施或极性检测功能，防止人工放错、放反。

b．连接片的上料有毛刷防止吸不上及吸多片，有吹气和吸盘抖动功能，有吸多片检测，设有存放吸多片的废料装置。

c．保护片托盘备料：人工上料至弹夹备料，取料吸嘴每次取走一组保护片，上料端的保护片原料全部用完，转盘（或移动模组）转动到下一个位置，实现转接片不停机供应。

d．主要零部件：伺服电机、丝杆、气缸、吸盘等。

e．转接片托盘备料：取料吸嘴每次取走一组转接片，上料端的转接片原料全部用完，托盘转动到下一个位置，实现转接片不停机供应。

f．一次上料可生产40min。

④保护片盖板上下料模块（图13）。

图13 保护片盖板上下料模块

a．主要零部件：伺服电机、丝杆、气缸、导轨等。

b．动作流程：初始状态时，人工将保护盖放入上保护盖备料机构，上保护盖机构抓取一组保护盖移至上保护盖工位，直到所有保护盖板在线体上循环；下保护盖时，下保护盖机构从循环线体2夹具上取下保护盖，平台移动将保护盖放到保护盖中转机构，中转机构移动至上保护盖位，上保护盖机构将保护盖取到循环线体1对应夹具内。

c．一次上料可生产40min。

⑤超声波正、负极焊接模块（图14）。

图14 超声波正、负极焊接模块

a．主要零部件：平台、超声波焊接机、气缸等。

b．动作流程：夹具循环定位后，Z轴升降气缸上升，超声波上焊头下降，完成焊接；X轴、Y轴平移用伺服电机来调节焊机位置和换型，X轴、Y轴行程保证换型尺寸要求。

⑥焊印压平模块（图15）。该模块要求保护片不翘起，极耳不弯折，压块使用耐磨材料聚醚醚酮(PEEK)。

图15 焊印压平模块

a．主要零部件：滑轨、气缸等。

b．动作流程：待循环线体上的夹具到位后，避位气缸驱动上下模前伸，接着下模上顶，上模下压，整平焊印。随后，上模上移，下模下移，避位气缸驱动上下模缩回避位线体夹具。

2.3 转接片激光焊接机

1）设备组成

转接片激光焊接机设备主要功能包括顶盖、电芯自动上料，并通过激光焊接的方式将连接片与顶盖焊接为一体，除尘、贴胶后自动下料，如图16所示。

图16 转接片激光焊接机

设备尺寸：长×宽×高=2800mm×3800mm×2300mm。

外观：受力底架采用方通焊接结构，上部密封框架采用铝合金型材结构，用有机玻璃进行密封。

操作界面：设备设有独立操作的触摸屏，所有设备的触摸屏全部采用嵌入式。

本设备是自动生产线，详细工艺流程图如图17所示。

图17 转接片激光焊接机设备工艺流程

2）关键结构

从图16中可知，盖板供料机构、上盖板组件、激光焊接模块、激光焊接后除尘机构、焊印贴胶组件等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①盖板供料机构（图18）。

图18 盖板供料机构

a．功能：实现盖板的供料，具有托盘的定位、转移等功能。

b．主要零部件：升降机构、托盘定位机构、小推车等。

c．要求：一次上料，满足设备正常生产30min；上料小推车，一用一备，下料小推车3PCS；托盘二次定位精度≤0.1mm。

②上盖板组件（图19）。

图19 上盖板组件

a．功能：将刻码后的盖板抓取至转盘上。

b．主要零部件：平移同步带模组、升降丝杆模组、抓取夹爪等。

c．要求：抓取可靠，无掉料或夹伤物料，机构运行重复精度≤±0.05mm，机械手柔性设计，与产品接触的机械手等部位使用非属材质。

③激光焊接模块（图20）。

图20 激光焊接模块

a．功能：通过激光焊接机把盖板和极耳焊接在一起。

b．主要零部件：焊接平台、电芯载具等。

④激光焊接后除尘机构（图21）。升降气缸下降，将焊接区域覆盖，形成密封空间，进行抽尘。吸尘风速≥12m/s，风速在最大范围内无级可调。

图21 激光焊接后除尘机构

a．主要零部件：升降气缸、旋转电机、吸尘口等。

b．动作流程：夹具移动到除尘工位；气缸下降，电机旋转进行除尘。

⑤焊印贴胶组件（图22）。

图22 焊印贴胶组件

a．功能：极耳焊接区域上面贴保护胶。

b．主要零部件：拉胶机构、切胶机构、贴胶机构、胶辊组件等。

c．要求：胶带长度、贴胶位置可调整；备胶不良的真空检测、预警功能；具备胶带检测有无功能；贴胶前有焊印区域整形装置；贴胶良品率≥99.8%。

2.4 包膜机

1）设备主要功能

包膜机设备主要功能包括电芯自动整形、麦拉与底托片自动上料、麦拉包裹电芯、侧面贴胶、底面贴胶、CCD测试等，其设备布局如图23所示。

图23 包膜机设备布局图

①设备基本指标。

设备的外形尺寸：3100mm×4000mm×2300mm。

设备优率：≥99.8%（来料不良除外）。

设备稼动率：≥98%（仅指由设备原因造成的故障）。

②设备工艺流程如图24所示。

图24 包膜机设备工艺流程图

2）关键结构

从图23包膜机设备布局图中可知，底面贴胶机构、麦拉与底托片上料布局机构、包正面麦拉膜机构、底面贴胶机构、贴侧胶转盘机构等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①麦拉与底托片上料布局（图25）。

图25 麦拉与底托片上料布局

a．主要零部件：人工麦拉膜上料组件（1套），麦拉膜上料机械手（1套），底托片料盒（1套）；底托片上料机械手（1套），麦拉膜底托热熔平台（1套），热熔机构（1套）。

b．动作流程：机械手将底托放置热熔夹具上→麦拉膜上料机械手将膜放置热熔夹具上→热熔夹具平移至热熔工位→热熔→转盘膜上料下料机械手取料位等待取料。

②包正面麦拉膜工位（图26）。其包膜和热熔转盘布局如图27所示。

图26 包正面麦拉膜工位

图27 包膜和热熔转盘布局

a．主要零部件：工位夹具（8套），热熔组件（1套），包膜组件（1套），折膜机构（1套），夹具打开机构（3套）。

b．动作流程：膜上料→电芯上料→底面热熔→包正面膜→正面热熔→侧面折膜→侧面热熔→下料。

③底面贴胶机构（图28）。

图28 底面贴胶机构

a．底部两侧各1道L形胶带；胶带长度、贴胶位置可调整，贴胶位置对称，偏差±0.5mm，贴胶不能压伤划伤电芯。

b．备胶不良可检测、有预警功能，贴胶后通过色标传感器对贴胶有无进行检测。

c．备胶方式：人工手动备胶。

d．功能：电芯包膜后，在电芯底托面贴胶固定，“L”形贴胶。

e．主要零部件：胶辊、贴胶及切胶组件等。

f．要求：贴胶良品率≥99.6%；贴胶保证连续性，不允许断带等情况发生；胶带粘贴贴合电芯，不皱褶、不翘起。

④贴侧胶转盘（图29）。

图29 贴侧胶转盘

a．两侧各1道胶带。

b．胶带长度、贴胶位置可调整，贴胶位置对称，偏差±0.5mm。

c．贴胶不能压伤划伤电芯。

d．备胶不良可检测，有预警功能。

e．贴胶后通过色标传感器对贴胶有无进行检测。

f．人工手动备胶。

g．功能：电芯包膜后，在电芯两侧贴胶固定，“U”形贴胶。

h．主要零部件：胶辊、贴胶及切胶组件、X轴丝杆组件等。

i．要求：贴胶良品率≥99.6%；贴胶保证连续性，不允许断带等情况发生；胶带粘贴贴合电芯，不皱褶、不翘起。

2.5 入壳预焊机

1）设备主要功能

入壳预焊机设备布局如图30所示。

图30 入壳预焊机设备布局

入壳预焊机设备用于方形铝壳电芯自动入壳体。设备主要功能包括：铝壳上料、电池自动上料和扫码、铝壳及电芯除尘、电芯入壳、电池下料、信息绑定上传(MES)等。

①设备主要技术参数。

设备的外形尺寸：2850mm×1900mm×2500mm。

设备良率：≥99.8%（仅指由设备原因造成的不良）。

设备稼动率：≥99%（仅指由设备原因造成的故障）。

铝壳上料时间间隔：≥25min；自动记录除尘参数，除尘过程中不会对电芯和铝壳造成损伤。无明显可擦拭的微粒。

电芯厚度控制需要增加夹持力：10～50kgf(1kgf=9.81N)可调，调试精度±5kgf，且夹持压力、真空值数显可调。

入壳过程推力控制精度：设定值±5%；入壳前对壳体、电芯进行二次定位，并带有扩壳口功能，电芯采取全包围导向机构，使其电芯导向入壳时完全碰不到铝壳壳口。

定位偏差：0.5mm。

机构运行重复精度：偏差≤±0.05mm。

②本设备工艺流程（图31）。

图31 入壳预焊机设备工艺流程图

2）关键结构

从图30入壳焊接机设备布局图中可知，铝壳供料机构、铝壳和电芯、顶盖清洁机构、电芯入壳机构、电芯送料机构等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①铝壳供料模块（图32）。

图32 铝壳供料模块

a．功能：实现铝壳的供料，具有托盘的定位、转移等功能。

b．主要零部件：堆垛式铝壳托盘自动上料装置、铝壳托盘、运料小车等。

c．要求：铝壳上料间隔≥20min；配备可靠导向机构及定位机构。

②电芯和壳体除尘机构（图33）。

图33 电芯和壳体除尘机构

a．功能：壳体竖直清洁，吹风过程全方位无明显死角，壳口针对性处理。

b．主要零部件：除尘机构、气缸平移机构等。

③电芯入壳机构（图34）。

图34 电芯入壳机构

a．入壳时铝壳固定，夹持电芯向前送，保护电芯极耳。

b．入壳过程有陶瓷导向块，大斜角导向，避免铝壳口刮胶，避免隔膜破损、刮擦。

c．与铝壳接触位置的材料均采用陶瓷。

d．入壳后会保持4mm的空隙留给压装工位，要求超过顶盖支架，支架需入壳，保证压装后入壳深度的一致性。

e．定位精度：带吸盘拉壳结构，使壳体靠紧定位面，定位精度±0.1mm，入壳全过程压力监控，提供标准砝码，能够在不拆卸感应器的情况下校准。

f．清洁机构通过两侧上方对吹、下方吸尘的方式来清洁电芯壳盖焊接面。

g．喷嘴吹扫角度和高度可自由调节，出风均匀，形成有效风幕。

h．盒盖压装：主要实现入壳后电芯的Hi-pot测试，压装前盖板周边除尘，并对盖板压装入壳。

i．功能：将电芯本体进入壳体。

j．主要零部件：入壳机构、丝杆组件、壳体后吸开机构等。

④电芯送料机构（图35）。

图35 电芯送料机构

a．功能：用于输送入壳后电芯。

b．主要零部件：电芯夹紧机构、顶升气缸、传送机构等。

2.6 预点焊接机

1）设备主要功能

预点焊接机设备布局如图36所示。

图36 预点焊接机设备布局

预点焊接机设备用于方形铝壳与盖板的预点焊接。设备主要功能包括：电池自动上料和扫码、压装、等高检测、激光焊接、电池下料、信息绑定上传(MES)等。

①设备主要技术参数。

设备的外形尺寸：3000mm×1800mm×2500mm。

设备良率：≥99.8%（仅指由设备原因造成的不良）。

设备稼动率：≥99%（仅指由设备原因造成的故障）。

Hi-pot测试：测试时间0.5～5s，时间在1～100s可调，品牌为日置，精确度±5%；正负极间测试电压（直流电）100V，范围（直流电）0～500V，50V挡位。

定位偏差：0.5mm。

机构运行重复精度：偏差≤±0.05mm。

②其工艺流程图（图37）。

图37 预点焊接机设备工艺流程图

2）关键结构

从图36预点焊接机设备布局图中可知，电芯整形预压机构、台阶和短路测试模块、压紧机构和预焊机构、合盖压装机构等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①电芯整形预压机构（2套，图38）。

图38 电芯整形预压机构

a．功能：对入壳后的电芯进行顶盖整形压装。

b．主要零部件：定位组件、升降预压装组件等。

c．要求：可预设压力上限，超限报警停止，防止压坏电芯和外壳；压力调节范围为200～1000N；压装后顶盖无破损掉料，壳口四周无翻边、毛刺、划痕；压装模块化设计，换型简单方便。

②合盖压装机构（图39）。

图39 合盖压装机构

合盖压装机构具体的动作流程：

a．夹紧气缸动作：夹紧电芯，同时上顶气缸将电芯顶升至装配位。

b．对中气缸动作：夹紧电芯，对中定位，同时夹紧气缸松开。

c．推紧气缸动作：将壳体和盖板夹在压装模具内，且保持台阶在0.20mm以内；模具内尺寸为正公差，光洁度高，使壳体和盖板在内可流畅滑动。

d．吸盘组件动作：吸住壳体，并向外侧拉动，防止壳体大面内凹。

e．下压气缸动作：通过压装模具的导向，将盖板压入壳体，同时设有机械限位，防止盖板过度压入。

f．每个气缸均行程可调，关键部分设有液压缓冲和微调限位。

③预焊机构（图40）。

图40 预焊机构

预焊机构主要由运动系统和预焊工装组成。

a．功能：激光聚焦，离焦量测量，焊接吹保护气，运动机构拖动激光头扫描焊接轨迹。

b．主要零部件：移动机构X和Y轴采用伺服电机、激光焊接机等；台阶检测传感器用2D轮廓仪，台阶检测精度±0.02mm，台阶小于0.2mm。

2.7 顶盖激光焊接机

1）设备主要功能

图41为顶盖激光焊接机设备布局。该设备主要将入壳预焊后的电芯顶盖激光焊接、Hi-pot检测等。主要功能包括电芯扫码自动上下料、自动取放保护盖板、夹紧定位、激光密封焊接、Hi-pot检测、NG缓存、过程传输等。

图41 预盖激光焊接机设备布局

①设备主要技术参数。

设备的外形尺寸：3000mm×4500mm×2200mm。

设备一次良率≥98.5%，二次优率≥99.5%（来料不良除外），稼动率≥98%。

焊接速度≥150mm/s，CMK≥1.33。

激光焊接打压强度＞10kgf，CMK≥1.33。

激光焊接机输出功率及夹具压力控制精度：设定值±5%，CMK≥1.33。

焊接质量（焊接定位精度±0.1mm、焊缝宽度偏差≤±0.1mm）一致性CMK≥1.33。

激光焊工作过程与产品接触的防护腔体内环境洁净度高于10万级等级要求。

设备功能可满足机构、通信方面与前后工序设备对接。

②顶盖激光焊接机设备工艺流程（图42）。

图42 顶盖激光焊接机设备工艺流程

2）关键结构

从图41顶盖激光焊接机设备布局图中可知，上料机构、上定位组件、保护盖上料组件、NG缓存、移动检测组件、CCD检测组件、NG搬运组件、下料组件、焊接头组件等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①顶盖激光焊接机上料机构（图43）。

图43 顶盖激光焊接机上料机构

a．上料机构包含上料支架、X轴模组、Z轴模组、夹爪机构等。通过上料夹爪在来料物流线上抓取电芯，一次抓取两电芯，放到焊接夹具上，焊接夹具4套，每次放两个电芯，分两次放电芯。

b．机械手升降机构柔性保护，下降过程中未到设置位置遇到阻力则立即回升，并执行声光报警。

c．机械手有断电断气保护功能，夹持电芯状态下断电断气，电芯至少保持30min不掉落。

d．定位、夹紧电芯，使其焊接时位置准确可靠，夹具夹块使用耐高温材料，焊接定位精度±0.1mm、焊缝宽度偏差≤±0.1mm。

e．电芯高度方向定位以顶盖上表面为定位基准，电芯定位夹紧后，电芯顶盖上表面高度超出夹块上表面距离为1.5～2mm（客户确定），上表面水平度误差≤0.1mm，高度方向重复性误差≤0.05mm。

f．电芯定位夹紧过程中，夹块不与电芯产生滑动摩擦，采用随动装置，避免夹伤、刮花电芯，电芯定位夹紧后，夹块与电芯间隙≤0.05mm（标准块）。

g．电芯定位夹紧气缸压力可调节，气压值波动＜0.05MPa。

②上定位组件（图44）。

图44 顶盖激光焊接机上定位组件

具体动作流程如下：

a．电池夹具通过A/B直线电机移动到上定位位置。

b．控制电池夹具长短边定位气缸电磁阀切换到中泄位。

c．上定位移动气缸带动上定位压板下压对电池定位。

d．上定位完成后，长短边电磁阀切换成正常压力，上定位移动气缸上升。

③保护盖上料组件（图45）。

图45 顶盖激光焊接机保护盖上料组件

具体动作流程如下：

a．上定位完成后，电池移动到上保护盖位置进行护盖上料。

b．待焊接完成后，到下料位置，下保护盖和电池的下料。

说明：可不停机更换保护盖；保护盖保护极柱，防止焊接飞溅物污染极柱、二维码、防爆膜、注液孔。

④CCD检测组件（图46）。

图46 顶盖激光焊接机CCD检测组件

焊接后通过机械手模组把电芯搬运至移动检测组件上，移动检测组件上装有两套夹爪，分三个工位，即上料位置、检测位置、下料位置。CCD检测组件装有相机，检测焊后焊缝有无凹坑、砂眼、爆点、断焊、气孔、漏焊等缺陷（图47）。

图47 顶盖激光焊接机几种缺陷示意图

2.8 正压氦检机

1）设备主要功能

图48为正压氦检设备布局图，该设备主要用于方形铝壳电芯顶盖激光焊接后的密封性测试环节。采用真空法检测电芯顶盖焊接后的密封状态。工作过程是：顶盖激光焊接后的待测电芯经进料拉带送入本机并读取顶盖二维码，经分料机械手将被测电芯置入检测仓，对电芯抽空，抽到设定的负压值后外接真空源关闭，用气密性检测仪检测电池内部气密性。通过该装置可判断出被检工件是否合格。

图48 正压氦检设备布局

系统严格按照需方的要求设计制造，采用模块化的设计，充分考虑需方的检漏要求，同时也尽可能采用标准化的模块和部件，保证了系统的可靠性和可维护性，并满足厂家指定技术指标。

设备基本指标如下：

设备良率：≥99.8%（来料不良除外）。

设备稼动率：≥99%；误检率：≤0.3%。

氦检标准：≤9.9×10-7Pa·m3/s。

其设备工艺流程如图49所示。

图49 设备工艺流程

2）关键结构

本设备由以下装置组成：工件进／出料机械手装置、箱体滑台、抽空／充氦装置、真空箱检漏装置、氦气充注排除装置、电气控制装置。从图48正压氦检设备布局图中可知，工件进／出料机械手装置、抽空／充氦装置等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①检测转盘。检测转盘主要功能是电池一边上下料和一边检测，最大限度提高气密性检测仪的效用效率。该模块主要由转盘、凸轮分割器和检测夹具构成，如图50所示。

图50 检测转盘

②抽真空机构（图51）。抽空、充氦部分主要由真空泵、电磁阀、压力传感器和管道等组成。能在设定的时间内对工件进行抽空、充氦工作。

图51 抽真空机构

a．充入氦气压力（绝压）0.05～0.15MPa，此范围内可调。

b．系统具有氦气压力和浓度监测及氦气自动补充功能，当系统检测到氦气的浓度或压力低于设定值时，则自动打开阀门补充高纯氦气。

c．回收系统：真空泵品牌，莱宝；数量，1台抽真空，SV16B；1台回收泵（干泵），莱宝。

d．氦气浓度仪：浓度标准可设定。

e．回收系统回收率＞80%。

f．自动清氦功能完好，能快速有效地消除箱体内和管道上的残余氦气，检漏精度和重复性可靠，乙方提供标准漏孔。

设备选择与应用案例

某客户对电芯的尺寸提出以下要求。

①客户提供技术资料。设备模型平面图如图52所示，其代号及尺寸如表1所示。

图52 设备模型平面图

表1 模型代号及尺寸

②设备兼容产品尺寸（表2）。

表2 设备兼容产品尺寸

根据客户的需求，夹持电芯规格通过调节可共用夹手的方式进行，必要时可通过更换必要垫块实现不同规格电芯的生产（如治具、夹具、托盘），电芯尺寸规格的变化范围不得超过本设备的最大尺寸范围。

本自动生产线用于实现方形铝壳锂离子动力电池卷绕后电芯的自动装配，生产线主要由以下几大部分组成：热压机、超声波焊接机、转接片激光焊接机、包麦拉机、入壳机、预点焊接机、顶盖激光焊接机以及各设备之间的物流输送线等。