自动打磨技术在电池盒制造中的应用

刘俊杰

自动打磨技术在电池盒制造中的应用

刘俊杰

（上汽通用汽车有限公司 整车制造工程部，上海 201805）

电池盒作为电池载体，其质量关乎电池系统的使用寿命，电池盒在制造过程中产生的毛刺、飞溅会影响电池包的安装，从而需要进行打磨。文章主要针对新能源汽车电池盒在生产制造过程中运用到的打磨技术进行分析，结合打磨实例以及当下打磨技术的状况，介绍了基于某项目的自动打磨工位方案、系统组成。从电池盒需要运用打磨的必要性、打磨过程中运用到的自动打磨技术、打磨工位的布局等方面做出分析，为后续电池盒制造产线提供参考和指导。

新能源汽车；电池盒；自动打磨；机器人打磨方案

打磨是汽车制造过程中的一道工艺，一直以来金属去量打磨大多还是靠人工完成。人工打磨产生的粉尘对人体健康极为不利，且打磨效率低[1]、工作强度大。随着科技的发展，工业机器人的大范围应用，能够有效地改善这一现象。越来越多的主机厂开始采用机器人打磨来替代人工打磨。工业机器人每天还可以连续工作20多个小时，工作期间不会受到其他限制性因素的干扰作用。工业机器人自动化打磨的工作特点显著，即事先设定好操作程序，遵循固定的操作规律，保持工作的稳定性，即便是出现了一些差错，也只是某种程序化的差错，容易及时地完成改善处理[2-3]。因此，使用工业机器人有利于大幅度地提高工业生产效率。

1 新能源汽车电池盒在生产过程中运用打磨技术的必要性

随着新能源汽车产业发展趋势的日益高涨，各个车企都开始筹备自己的新能源战略计划[4]。电池包作为新能源汽车三电系统核心部件之一，其成本约占整车成本的三分之一。而电池盒作为电池载体，其质量关乎电池系统的使用寿命。目前市场上电池盒材质主要有钢和铝两种。使用钢材质的电池盒连接工艺主要为钢电阻点焊；使用铝材质的电池盒连接工艺为铝弧焊、搅拌摩擦焊等[5]。无论是钢材质还是铝材质，连接工艺都是热加工工艺，在实施过程中不可避免的会出现飞溅、毛刺。电池盒内部需要安装电芯、冷却水管等，如果毛刺、飞溅不能及时去除，则电芯及水管在使用过程中会存在被刺破风险，影响电池包使用。通过打磨技术去除毛刺、飞溅是电池盒生产过程中不可或缺的一道工艺，而电池盒需要进行打磨焊点数量又非常之多，如果选用传统人工打磨的方式对需要打磨的焊点一一进行打磨会严重拉低生产效率，且总体人工成本很高，综合考虑，选用工业机器人进行自动化打磨工作最为合适。

2 机器人打磨方案的设计

以某车型电池盒为例，为了能够更好的实现机器人自动化打磨，需要对工艺过程做出合理的设计。

2.1 机器人打磨工艺方案设计

电池盒的打磨任务主要是针对电池盒内部的毛刺、飞溅进行打磨，故在电池盒生产线完成所有连接工艺后需设置打磨工位对其进行打磨。此工位承上启下，在上一工位完成总成工艺时，通过机器人抓手将其放到打磨工位中进行打磨，待打磨工艺完成后，再由机器人抓手抓起放到下一个工位去完成下一道工艺。

2.2 工艺方案布局

因电池盒需要打磨的焊点数量很多，故选择两台打磨机器人同时对其进行打磨，这样不仅可以提高打磨效率，还能保证打磨质量以及生产节拍。打磨工位由打磨机器人、打磨装置、打磨工装台、可自动换磨料的刀具库、除尘装置、安全房组成，具体工位布局如图1所示。

图1 打磨工位工艺布局

在上一工位完成总成连接工艺后，由抓手机器人放到打磨工位中的工装定位台上，待工件放到位后夹头夹紧，两台打磨机器人靠近打磨，每台机器负责一半区域的打磨任务，且每台打磨机器人各配有一个磨料库，里面有不同的磨料，可根据工作面材质的不同，自动换取合适的材料。由于打磨过程是磨料与毛刺、飞溅的磨削过程，会出现细小飞尘颗粒以及工业烟气，这些微小颗粒及烟气会污染车间工作环境以及影响工人的身体健康。因此，打磨工位需设置安全房，避免飞尘以及烟气外散，同时在工位内打磨头上设置除尘收集装置，该装置与工位外的除尘主机相连来达到洗尘除烟的目的。

2.3 打磨装置的设计

打磨装置与机器人六轴连接，针对不同打磨对象，打磨装置的选择设计也极其重要，打磨装置针对平面与竖面的工作面可分为两部分组成。连接法兰、柔性力控装置、电主轴连接板、电主轴可更换式刀柄、钢丝刷的组成主要是针对平面工作面进行打磨，ATI连接板与ATI的组成是针对于竖面工作面进行打磨，具体如图2所示。

图2 打磨装置

因对工作面进行打磨时会遇到凹凸不平的面，如果选择刚性打磨装置，其不具有自适应能力，就需要机器人工程师根据工作面对打磨轨迹进行调试，这大大占用了项目调试阶段时间。同时，在实际生产中零件会存在一定波动，使用刚性打磨装置会导致过度打磨或者打磨不彻底。因此，自动打磨设备需要具备一定柔性。

某项目采用的柔性力控装置可以在任一方向保持恒定外力，能够提供精准位置反馈，具有重力补偿功能。恒力浮动系统还具有很强的自适应能力，具体表现如下：

1）可以自定义接触力，互动地补偿表面误差达480 mm之多，确保一致的接触力，无需调整机器人轨迹，这大大节省了前期轨迹调试时间。

2）能自动重力补偿，可在不同工作姿态下保持定义的作用力，而且无需编程来补偿重力变化的影响。

3）从动安全高速控制，使用内置从动安全和高速控制的坚固的机械机构、机电执行器、传感器能够确保高度工艺安全性。

4）简易的系统应用集成，高质量标准，标准通信接口使集成变得更简易智能。实时反馈当前接触状态、位置及实际接触力，非常适用于质量检验控制。

5）恒力浮动的介入大大降低了人工调试时间，不仅保证了打磨质量，还提高了打磨效率。

因打磨过程中磨料会出现不可避免的磨损，在磨损达到一定程度时，如果不及时更换磨料就会对后续打磨质量造成影响，而若选择人工手动换磨料，会影响生产周期时间（Cycle Time, CT），拉低生产效率。所以自动化打磨装置需配用可更换式刀柄，与刀具库相配合，实现可自动更换磨料。

2.4 工装定位台设计

工装定位台作为承载工件进行打磨的装置，其也是保证打磨质量的关键，在设计过程中需要考虑工件外形、生产车型数量等因素。因现代的一条汽车生产线体，往往承载着若干车型，所以在打磨工位中，工装定位台也要实现能承载若干车型的功能，这也大大增加了工装定位台的复杂性，且需要保证每个车型工件的精准定位，这就需要每个定位销都需要安装在精准位置，在保证了其精准定位的条件下，还需要实现自动化，其夹头与气缸相连接，接入系统，在抓件放件时实现自动开关夹具功能，与机器人相配合，实现自动化打磨。如某项目中设计出了这种可同时满足4种电池盒打磨的工装定位台，如图3所示。

图3 工装定位台

2.5 除尘系统

在打磨过程中会产生大颗粒飞溅和小颗粒浮尘以及加工烟气，这些飞尘以及金属烟气里面包含很多有害材质，不仅影响车间空气质量还会危害人体健康，而金属烟气污染处理设施和机械清洁成本又很高，在打磨过程中需要使用配套用的除尘系统。

除尘方案有两种，一种是打磨房整体除尘；另一种是机器人工艺除尘。打磨房整体除尘是采用房间换气除尘，是一种经济有效的解决方案。通过稀释房间内被污染的空气，可有效减少空气内的浮尘对设备的影响，延长设备使用寿命。这种除尘方案需要在打磨工位周围设置安全房，安全房设置自动卷帘门，在工件放到打磨工位里后，卷帘门关闭，实现全封闭自动打磨，工位外的除尘机通过吸尘管与打磨房连接，实现整体除尘目的。这种除尘方式的具体布局如图4所示。

图4 打磨房整体除尘

机器人工艺除尘是在打磨装置上安装特制吸口，在打磨过程中产生的飞尘颗粒与加工烟气可以第一时间通过工位外的除尘机被吸走，以此来达到除尘目的。这种除尘方式更直接便利且效率很高，具体布局方案如图5所示。

图5 机器人工艺除尘

2.6 打磨效果

某项目中，现场通过对打磨机器人程序的设定以及打磨轨迹的不断优化，打磨的效率及打磨质量都很稳定，打磨效果也达到了产品设计需求，打磨前后对比如图6所示。

图6 打磨前后对比

3 总结

自动化打磨工位的应用，打破了传统打磨的方式，由工业机器人代替了人工，对于工业打磨技术来说也是一次全新的突破，这次打磨方案的设计，不仅降低了工作强度，还改善了现场的工作环境，既保证生产效率又保证了打磨质量。本次项目通过采用机器人自动打磨，减少了现场2名操作工。这次打磨方案的设计，最大的特点为做到了创新，根据工件的特点，去设计专用打磨装置、专用工装定位台、专用的工艺布局、磨料自动切换等，这也恰好反映出我国工业技术的进步。

[1] 李立秋.采用工业机器人对金属制件去量打磨的实践总结[J].中国设备工程,2021(22):20-21.

[2] 赵昊东.工业机器人铸件打磨系统设计研究[J].南方农机,2022,53(6):105-108.

[3] 李国栋,梁宇飞,陈振亚,等.针对铸铁管件毛刺的机器人打磨技术研究[J].铸造,2022,71(1):94-98.

[4] 孙友,王彦鹏,袁海.基于焊缝特征的铝合金车体自动打磨研究及应用[J].今日制造与升级,2021(12):36-38.

[5] 谢昊澄,葛为民,程德响.针对机器人焊接飞溅缺陷的机器人打磨工艺研究及优化[J].天津理工大学学报, 2021,37(5):18-22.

Application of Automatic Grinding Technology in Battery Tray Manufacturing

LIU Junjie

( Department of Vehicle Manufacturing Engineering, SAIC-GM Company Limited, Shanghai 201805, China )

As battery carrier, the quality of battery tray is related to the service life of battery system, the burr and splash generated will impact installation of battery tray and need grinding. This paper mainly analyzes the auto grinding use in the manufacturing process of battery tray, combine with the grinding example and the current status of grinding technology, introduce the automatic grinding station scheme and system composition based on a certain project. From the necessity of the grinding use in battery tray building, the automatic grinding technology use in the grinding process, the layout of the grinding station, etc., it is analyzed to provide reference and guidance for the subsequent battery tray line.

New energy automobile; Battery tray; Automatic grinding; Robot grinding scheme

TB49

A

1671-7988(2023)20-130-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.026

刘俊杰（1988－），男，工程师，研究方向为汽车制造技术，E-mail:Junjie6_Liu@saic-gm.com。