极耳超声波合焊机的制作方法

本实用新型涉及圆柱形锂电池生产设备，尤其涉及一种成品电芯正极一端的两个极耳自动焊接的极耳超声波合焊机。

背景技术：

锂离子电池以其高能量密度、高电压、高循环、高安全性、绿色环保等优良性能在电子产品等各个领域得到广泛应用，如笔记本电脑、摄像机、移动通讯、电动车等；同时，开发的大容量锂离子电池也已在电动汽车中开始试行，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

锂离子电池极耳传统的焊接方法有：锡焊、电阻点焊和电弧焊，这些焊接方法存在许多技术问题，焊接质量仅凭工作人员的经验而定，难以对焊接质量进行严格地把控，容易造成漏焊导致锂电池失效的情况，比如：生产效率低，产品合格率低，重复搬运多，影响了锂电池产品的经济性；且现有的焊缝大，焊缝强度小，使得锂电池的内阻变化，自身消耗了大量的能量，严重阻碍了锂电池实现“体积小、容量大”的特性；焊接缺陷多，使得锂电池的可靠性和安全性大打折扣。

传统的焊接方法不易于组成生产流水线，不能够将上料、焊接、检测、检验和下料集成在一条生产线上，不利于专业化协作，不利于应用现代化的定位、加工和检测技术。

技术实现要素：

本实用新型提供一种整体结构简单，动作简化，有效降低生产成本和提高工作效率，有效提升生产速度和设备性能稳定，具备机械手自动取料、极耳找正定位、电芯二次定位、极耳合焊和自动输送，集多种功能为一体的极耳超声波合焊机。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：

极耳超声波合焊机，用于圆柱形锂电池成品电芯两个极耳的自动焊接，包括底座机架、自动控制系统和工作平台，工作平台设置于底座机架的顶侧；所述工作平台的侧端上设有从卷绕机的输送带上将加工后的待焊电芯夹取移送过来的电芯移栽机械手机构；所述工作平台的中间设有用于承接电芯移栽机械手机构转送过来的待焊电芯并通过循环的回字形动作将待焊电芯依次递进的向下一个工位输送的电芯输送移栽机构；所述电芯输送移栽机构输入端侧边的工作平台上设有对电芯输送移栽机构上初始状态的待焊电芯进行轴线方向定位的电芯焊前定位机构；所述电芯焊前定位机构定位后的待焊电芯前后侧分别设有对电芯输送移栽机构上的待焊电芯进行旋转控制及周向定位的马达极耳找正机构和待焊电芯转动极耳进行重合度检测的光纤检测机构；所述马达极耳找正机构和光纤检测机构的后一工位设有对电芯输送移栽机构上极耳重合度符合要求及极耳在圆周方向进行了定位的待焊电芯进行极耳自动焊接的半波超声波焊接机构；所述自动控制系统依次控制电芯移栽机械手机构、电芯输送移栽机构、电芯焊前定位机构、马达极耳找正机构、光纤检测机构和半波超声波焊接机构按工步动作并通过电芯输送移栽机构将焊接后的电芯直接输出。

优选地，所述半波超声波焊接机构同一工位的对侧还设有固定于工作平台上对电芯输送移栽机构上焊接前的电芯再次进行轴向定位的电芯二次定位机构，电芯二次定位机构包括定位气缸固定座和二次横向气缸，所述定位气缸固定座安装于电芯输送移栽机构侧旁的工作平台上，二次横向气缸固定于定位气缸固定座的顶端并通过伸出的活塞端对电芯输送移栽机构上焊接前的电芯轴向再次进行定位。

优选地，所述电芯输送移栽机构输出端侧边的工作平台上还设有对电芯输送移栽机构上不符合焊接要求的电芯进行剔除的不良品排除机构，该不良品排除机构包括相互对应且分别位于电芯输送移栽机构两侧的不良品盒和横向剔除气缸，横向剔除气缸通过固定支座安装于电芯输送移栽机构的底架板上，设置于电芯输送移栽机构对侧的不良品盒用于承接横向剔除气缸从电芯输送移栽机构上剔除的不良产品电芯。

优选地，所述电芯输送移栽机构包括立板架、横向进给部、纵向进给部、旋转控制部和气爪，两个气爪并排的安装于旋转控制部的下端并在旋转控制部驱动下作九十度的往复旋转，旋转控制部安装于纵向进给部的下端并在纵向进给部的推动下带动两个气爪一并作上下往复运动，纵向进给部安装于横向进给部上并在横向进给部的推动下一并带动旋转控制部及气爪同时作左右往复运动，横向进给部通过立板架固定于工作平台上。

优选地，所述横向进给部由横向进给气缸、横向气缸固定座、横向连接板块、横向滑块和横向滑杆组成；所述纵向进给部由纵向进给气缸、纵向气缸固定块和纵向滑杆组成，所述纵向进给气缸通过纵向气缸固定块安装固定于横向进给部的横向滑块顶部，纵向滑杆穿过横向滑块上设置的通孔并在纵向进给气缸推动下上下滑动；所述旋转控制部由旋转气缸和旋转轴组成，两个气爪并排的安装于旋转轴下端，旋转气缸安装于纵向进给部的纵向滑杆下端并推动旋转轴及两个气爪作90°的往复旋转。

优选地，所述电芯输送移栽机构包括底架板、连接块、横向位移气缸、纵向导杆、纵向位移气缸、由两个侧板组成的直线状导向槽和托起导轨，所述底架板安装于工作平台上，所述托起导轨装配于导向槽内且两者的顶部均开设有多个等间距分布的用于定位托放电芯的梯形开口槽，托起导轨上表面低于导向槽上的梯形开口槽底部且托起导轨上的梯形开口槽与导向槽上的梯形开口槽的横向对齐，横向位移气缸安装于托起导轨下侧的底架板上，所述纵向位移气缸设置于工作平台下侧并通过纵向导杆推动托起导轨向上运动托起导向槽上梯形开口槽内放置的电芯，横向位移气缸的活塞端通过连接块与托起导轨连接并推动托起导轨及其上的电芯沿导向槽横向步进一个相邻梯形开口槽的距离而向下一个工位输送。

优选地，所述电芯焊前定位机构包括气缸支座、电芯轴向右侧定位气缸、电芯轴向左侧定位气缸、两个滑套和具有左侧电芯定位夹的滑轨架，气缸支座安装于电芯输送移栽机构初始端的侧边，电芯轴向右侧定位气缸安装于气缸支座的中上部并通过活塞端部连接的右侧电芯定位夹对电芯输送移栽机构上待焊电芯的右侧定位，两个滑套和电芯轴向左侧定位气缸安装于气缸支座的顶部，电芯轴向左侧定位气缸拉动滑轨架沿滑套滑动并通过左侧电芯定位夹对待焊电芯的左侧定位。

优选地，所述马达极耳找正机构包括马达纵向位移气缸、马达、主动轮和一对承接待焊电芯的随动轴承，一对承接待焊电芯的随动轴承安装于电芯输送移栽机构上导向槽外壁的梯形开口槽两侧，主动轮安装于马达的转轴上并对应的位于随动轴承承接的待焊电芯上侧，马达纵向位移气缸设置于电芯输送移栽机构上待焊电芯的上侧，马达纵向位移气缸推动连接的马达及主动轮向下位移，马达根据光纤检测机构反馈的重合度信号和电芯极耳圆周方向定位信号分别控制主动轮转动，主动轮触接待焊电芯并在一对随动轴承承接下带动待焊电芯转动。

优选地，所述光纤检测机构包括光纤气缸支架、光纤横向进给气缸、光纤安装板、第一光纤和第二光纤，光纤横向进给气缸通过光纤气缸支架安装于电芯输送移栽机构侧边的工作平台上，第一光纤和第二光纤均安装于光纤安装板上，光纤横向进给气缸推动与光纤气缸支架顶表面滑轨配合的光纤安装板伸入电芯输送移栽机构的上侧，光纤安装板上的第一光纤和第二光纤从侧面垂直向下照射电芯输送移栽机构上自转的待焊电芯极耳并通过给定距离内反射光的有无来进行检测极耳的重合度。

优选地，所述半波超声波焊接机构包括焊座、夹爪、气爪和半波超声波焊机，所述电芯二次定位机构对电芯输送移栽机构上焊接前的电芯再次进行轴向定位后，焊座上的气爪夹紧进而带动夹爪夹紧重合的电芯极耳，半波超声波焊机的焊头向下运动压在焊座上完成电芯正极重合极耳的焊接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用满足电芯极耳合焊的新工艺，采用两个机械气爪同时动作，实现高效定位自动抓取和放置电芯，生产效率高；电芯输送移栽机构通过简单水平和纵向循环运动输送电芯，并通过梯形开口槽对电芯的轴心进行精确定位；电芯输送移栽机构两侧依次设置的电芯焊前定位机构、马达极耳找正机构、光纤检测机构和电芯二次定位机构，定位效果好，能够对电芯的轴心和轴线方向定位、以及对极耳在圆周方向定位，特别是马达极耳找正机构和光纤检测机构能够使电芯旋转，在圆周方向对极耳定位，并且能识别极耳不重合和极耳重合度超差的电芯，待后续作为不良品通过不良品排除机构排出；焊前定位机构能够对电芯进行轴向定位，电芯二次定位机构能够对焊前电芯再次进行轴向定位，使极耳在电芯轴向焊接的位置更准确。半波超声波焊机机构能修正极耳重合度，使重合度在限定范围内并且能对准确定位的极耳进行焊接，焊接效果好；整体设备成本低，自动化程度高，能够通过简单的机构进行连线生产，实现自动化生产。

【附图说明】

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是本实用新型的主视结构示意图；

图3是本实用新型电芯移栽机械手机构的立体结构放大示意图；

图4是本实用新型电芯输送移栽机构、马达极耳找正机构和不良品排除机构装配后的立体结构放大示意图；

图5是本实用新型电芯焊前定位机构的立体结构放大示意图；

图6是本实用新型光纤检测机构的立体结构放大示意图；

图7是本实用新型电芯二次定位机构的立体结构放大示意图；

图8是本实用新型半波超声波焊接机构的立体结构放大示意图。

【具体实施方式】

极耳超声波合焊机，如图1至图8所示，用于圆柱形锂电池成品电芯两个正极极耳的自动焊接，包括底座机架1、自动控制系统(图中未示)和工作平台2，工作平台2设置于底座机架1的顶侧；在工作平台2的侧端上设有从卷绕机的输送带上将加工后的待焊电芯夹取移送过来的电芯移栽机械手机构3；在工作平台2的中间设有用于承接电芯移栽机械手机构3转送过来的待焊电芯并通过循环的回字形动作将待焊电芯依次递进的向下一个工位输送的电芯输送移栽机构4；在电芯输送移栽机构4输入端侧边的工作平台2上设有对电芯输送移栽机构4上初始状态的待焊电芯进行轴线方向定位的电芯焊前定位机构5；在电芯焊前定位机构5定位后的待焊电芯前后侧分别设有对电芯输送移栽机构4上的待焊电芯进行旋转控制及周向定位的马达极耳找正机构6和待焊电芯转动极耳进行重合度检测的光纤检测机构7；在马达极耳找正机构6和光纤检测机构7的后一工位设有对电芯输送移栽机构4上极耳重合度符合要求及极耳在圆周方向进行了定位的待焊电芯进行极耳自动焊接的半波超声波焊接机构8；所述自动控制系统依次控制电芯移栽机械手机构3、电芯输送移栽机构4、电芯焊前定位机构5、马达极耳找正机构6、光纤检测机构7和半波超声波焊接机构8按工步动作并通过电芯输送移栽机构4将焊接后的电芯直接输出。

其中，如图1、图2和图4所示，半波超声波焊接机构8同一工位的对侧还设有固定于工作平台2上对电芯输送移栽机构4上焊接前的电芯再次进行轴向定位的电芯二次定位机构9，在电芯输送移栽机构4输出端侧边的工作平台2上还设有对电芯输送移栽机构4上不符合焊接要求的电芯进行剔除的不良品排除机构10。

如图1、图2和图3所示，电芯输送移栽机构3包括立板架30、横向进给部31、纵向进给部32、旋转控制部33和气爪34，两个气爪34并排的安装于旋转控制部33的下端并在旋转控制部33驱动下作九十度的往复旋转，旋转控制部33安装于纵向进给部32的下端并在纵向进给部32的推动下带动两个气爪34一并作上下往复运动，纵向进给部32安装于横向进给部31上并在横向进给部31的推动下一并带动旋转控制部33及气爪34同时作左右往复运动，横向进给部31通过立板架30固定于工作平台2上。

继续如图1、图2和图3所示，横向进给部31由横向进给气缸310、横向气缸固定座311、横向连接板块312、横向滑块313和横向滑杆314组成；纵向进给部32由纵向进给气缸320、纵向气缸固定块321和纵向滑杆322组成，纵向进给气缸320通过纵向气缸固定块321安装固定于横向进给部31的横向滑块313顶部，纵向滑杆322穿过横向滑块313上设置的通孔并在纵向进给气缸320推动下上下滑动；旋转控制部33由旋转气缸330和旋转轴331组成，两个气爪34并排的安装于旋转轴331下端，旋转气缸330安装于纵向进给部32的纵向滑杆322下端并推动旋转轴331及两个气爪34作90°的往复旋转。

电芯输送移栽机构3工作时，横向进给部31的横向进给气缸310在初始状态下处于收缩状态，当横向进给气缸310伸出时，带动横向滑块313及纵向进给部32、旋转控制部33和气爪34一起横向运动，从而带动气爪34横向移动至卷绕机的输送带上方。同时，对应纵向进给部32的纵向进给气缸320初始状态也处于收缩状态下，当纵向进给气缸320伸出运动时，带动旋转控制部33和气爪34一起纵向运动，从而带动气爪34向下移动至卷绕机输送电芯水平面处。接着，旋转控制部33上初始状态的旋转气缸330推动旋转轴331并带动两个气爪34一起旋转90°，从而带动气爪34旋转至与卷绕机输送电芯方向一致；然后，初始状态下的两个气爪34夹抓打开，两个气爪34夹紧完成电芯抓取。接着，纵向进给气缸320收缩，然后横向进给气缸310收缩，旋转气缸330反向旋转90°；然后，纵向进给气缸320伸出，然后气爪34打开，完成待焊电芯放置于电芯输送移栽机构4上；最后纵向进给气缸320收缩，同时完成两个电芯的抓取和放置动作的一次循环。

如图1和图4所示，电芯输送移栽机构4包括底架板40、连接块41、横向位移气缸42、纵向导杆43、纵向位移气缸(图中未示)、由两个侧板450组成的直线状导向槽45和托起导轨46，底架板40安装于工作平台2上，托起导轨46装配于导向槽45内且两者的顶部均开设有多个等间距分布的用于定位托放电芯的梯形开口槽47，托起导轨46上表面低于导向槽45上的梯形开口槽底部且托起导轨46上的梯形开口槽与导向槽上的梯形开口槽的横向对齐，横向位移气缸44安装于托起导轨46下侧的底架板40上，纵向位移气缸设置于工作平台2下侧并通过纵向导杆43推动托起导轨46向上运动托起导向槽45上梯形开口槽内放置的电芯，横向位移气缸42的活塞端通过连接块41与托起导轨46连接并推动托起导轨46及其上的电芯沿导向槽45横向步进一个相邻梯形开口槽的距离而向下一个工位输送。底架板40通过多根立柱48固定安装于工作平台2上，底架板40上设有两组对称分布且共6个的支架49来平行固定导向槽45两侧的侧板450。

当电芯移栽输送时，电芯输送移栽机构4上的纵向位移气缸收缩，通过纵向导杆43将托起导轨46托起，从而将电芯托起高于导向槽45两侧的侧板450上端；然后，横向位移气缸42收缩，推动托起导轨46横向前进，从而托起导轨46带动电芯向前移动一个工位，然后纵向位移气缸伸出，通过纵向导杆43带动托起导轨46向下运动，使托托起导轨46上表面低于导向槽45上侧板450的梯形开口槽底部，从而电芯向下移动放置于导向槽45上侧板450的梯形开口槽内；然后，横向位移气缸42伸出，带动托起导轨46复位，完成电芯前进一个工位的动作循环。即通过托起导轨46横向和纵向的运动使托起导轨46完成回字形动作，从而使电芯向下一个工位输送，此种方式定位准确，有利于其他各个机构对齐相应的工位完成各种动作。

如图1和图5所示，电芯焊前定位机构5包括气缸支座50、电芯轴向右侧定位气缸51、电芯轴向左侧定位气缸52、两个滑套53和具有左侧电芯定位夹540的滑轨架54，气缸支座50安装于电芯输送移栽机构4初始端的侧边，电芯轴向右侧定位气缸51安装于气缸支座50的中上部并通过活塞端部连接的右侧电芯定位夹510对电芯输送移栽机构4上待焊电芯的右侧定位，两个滑套53和电芯轴向左侧定位气缸52安装于气缸支座50的顶部，电芯轴向左侧定位气缸52拉动滑轨架54沿滑套53滑动并通过左侧电芯定位夹540对待焊电芯的左侧定位。

工作时，电芯焊前定位机构5上电芯轴向左侧定位气缸52的初始状态处于伸出状态，电芯轴向右侧定位气缸51的初始状态处于收缩状态，当电芯输送移栽机构4的输送线上的电芯处于初始状态时，电芯焊前定位机构5开始动作，电芯轴向左侧定位气缸52和电芯轴向右侧定位气缸51同时动作；电芯轴向左侧定位气缸52收缩从而带动左侧电芯定位夹540向电芯移动，同时，电芯轴向右侧定位气缸51伸出从而带动右侧电芯定位夹510也向电芯移动，从电芯负极端轻推电芯，使正极端极耳一致，从而使电芯在轴线方向定位，保证焊接位置精度；然后，电芯轴向左侧定位气缸52伸出，同时电芯轴向右侧定位气缸51收缩，完成一个电芯定位动作的循环。

如图1和图4所示，马达极耳找正机构6包括马达纵向位移气缸60、马达61、主动轮62和一对承接待焊电芯的随动轴承63，一对承接待焊电芯的随动轴承63安装于电芯输送移栽机构4上一个导向槽45外壁的梯形开口槽两侧，主动轮62安装于马达61的转轴上并对应的位于随动轴承63 承接的待焊电芯上侧，马达纵向位移气缸60设置于电芯输送移栽机构4上待焊电芯的上侧，马达纵向位移气缸60推动连接的马达61及主动轮62向下位移，马达61根据光纤检测机构7反馈的重合度信号和电芯极耳圆周方向定位信号分别控制主动轮62转动，主动轮62触接待焊电芯并在一对随动轴承63承接下带动待焊电芯转动。

如图1和图6所示，光纤检测机构7包括光纤气缸支架70、光纤横向进给气缸71、光纤安装板72、第一光纤73和第二光纤74，光纤横向进给气缸71通过光纤气缸支架70安装于电芯输送移栽机构4侧边的工作平台2上，第一光纤73和第二光纤74均安装于光纤安装板上，光纤横向进给气缸71推动与光纤气缸支架70顶表面滑轨配合的光纤安装板72伸入电芯输送移栽机构4的上侧，光纤安装板72上的第一光纤73和第二光纤74从侧面垂直向下照射电芯输送移栽机构上自转的待焊电芯极耳并通过给定距离内反射光的有无来进行检测极耳的重合度。

其中，第一光纤73和第二光纤74是通过给定距离内的反射光的有无来进行检测物体，且第一光纤73和第二光纤74从侧面垂直向下照射；由于电芯的两个正极极耳是朝向光纤检测机构7的一侧，且电芯的两个正极极耳是处于电芯外圆周边缘，且电芯的两个正极极耳在正常状态下是重合的；同时，马达极耳找正机构6和光纤检测机构7是相互配合一起动作。工作时，第一光纤73和第二光纤74的对称中心与可自由旋转的电芯同心，当电芯在移栽输送线处于初始状态时，光纤检测机构7上光纤横向进给气缸71由初始收缩状态动作，活塞杆伸出，带动光纤安装板72及其上的第一光纤73和第二光纤74伸出，第一光纤73和第二光纤74伸出到超过电芯正极端面一段适当距离时停止。此时，马达极耳找正机构6上的马达61开始带动电芯旋转；电芯旋转旋转分为两个阶段，第一阶段：在此阶段中，只有第一光纤73工作，马达61带动电芯旋转360°，如果第一光纤73感应到极耳的次数为2次(在此阶段，马达未转动时就感应到极耳不算做1次感应次数)，则判定为两个极耳不重合，此电芯将不焊接并输送至后续工位作为不良品后续排除；如果第一光纤73感应到极耳的次数为1次，则判定为两个极耳重合，电芯进行第二阶段的旋转；第二阶段：在此阶段中，第一光纤73和第二光纤74同时工作，马达极耳找正机构6上的马达61继续带动电芯继续旋转，当第一光纤73感应到电芯极耳时，马达61继续旋转(在此阶段，马达61未转动时就感应到极耳算做已经感应到极耳)，当第一光纤73刚好感应不到极耳时，马达61停止转动，此时重合的电芯极耳旋转至最低点，如果此时第二光纤74感应到极耳，则判定为此电芯极耳重合度不好，此电芯将不焊接并输送至后续工位作为不良品后续排除；如果此时第二光纤74也感应不到极耳，此时即对电芯上的正极极耳进行了圆周方向上的定位，则判定为此电芯极耳重合度好，将输送至后续工位进行焊接

如图1和图7所示，电芯二次定位机构9包括定位气缸固定座90和二次横向气缸91，所述定位气缸固定座90安装于电芯输送移栽机构4侧旁的工作平台2上，二次横向气缸91固定于定位气缸固定座90的顶端并通过伸出的活塞端对电芯输送移栽机构4上焊接前的电芯轴向再次进行定位。

如图1和图8所示，半波超声波焊接机构8包括焊座80、夹爪81、气爪82和半波超声波焊机83，在电芯二次定位机构9对电芯输送移栽机构4上焊接前的电芯再次进行轴向定位后，焊座80上的气爪82夹紧进而带动夹爪81夹紧重合的电芯极耳，半波超声波焊机83的焊头向下运动压在焊座80上完成电芯正极重合极耳的焊接。具体工作时，当电芯在移栽输送线处于初始状态时，气爪82初始处于放开状态，气爪82夹紧带动夹爪81夹紧重合的正极极耳；由于夹紧后重合极耳的宽度最大宽度尺寸为5mm，在焊接前对电芯极耳焊接后的外形尺寸进行修正，半波超声波焊机83的焊头初始处于行程的最高点，然后半波超声波焊机83的焊头向下运动压在焊座80上，完成正极重合的极耳的焊接；然后，气爪82张开，同时半波超声波焊机83的焊头向上运动，完成一个电芯极耳焊接的循环。

如图1和图4所示，不良品排除机构10包括相互对应且分别位于电芯输送移栽机构4两侧的不良品盒100和横向剔除气缸101，横向剔除气缸101通过固定支座安装于电芯输送移栽机构4的底架板40上，针对前道工位检测判定为不良产品的电芯，初始状态为收缩状态的横向剔除气缸101动作，其活塞杆端头伸出轻推不良电芯，这时，设置于电芯输送移栽机构4对侧的不良品盒100，用于承接横向剔除气缸101从电芯输送移栽机构4上剔除的不良产品电芯；然后，横向剔除气缸101收缩，完成一个不良品排出的动作循环，此后电芯继续移栽至后续工位，并可连线下道工序的设备。

整机在自动控制系统的控制下，电芯移栽机械手机构3、电芯输送移栽机构4、电芯焊前定位机构5、马达极耳找正机构6、光纤检测机构7、电芯二次定位机构9和不良品排除机构10依次循环动作，最后通过电芯输送移栽机构4将焊接后的电芯直接输出。

以上所述实施例只是为本实用新型的较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，如需单机使用，取消电芯移栽机械手机构即可，凡依本实用新型之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围内。