即使是柔性部件，也盡在掌控之中：KR CYBERTECH 實(shí)現(xiàn)電池組組裝自動(dòng)化

電動(dòng)汽車電池的生產(chǎn)過(guò)程具有相當(dāng)大的危險(xiǎn)性，因?yàn)殡姵啬＝M的連接會(huì)產(chǎn)生極高的電壓。Liebherr-Verzahntechnik GmbH 與 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 和 KUKA 合作，現(xiàn)已開發(fā)出一種采用 KR CYBERTECH nano 系列機(jī)器人的方案，可安全高效地連接帶高電壓的電池模組。

自動(dòng)化技術(shù)為電動(dòng)汽車發(fā)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力

隨著可再生能源的使用規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，溫室氣體的排放減少，降低了環(huán)境治理和恢復(fù)費(fèi)用。電動(dòng)汽車是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)槠溆兄跍p少二氧化碳排放量，并降低維修和維護(hù)成本。據(jù)估計(jì)，目前全球已有超過(guò) 2700 萬(wàn)輛插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車正在被使用。隨著絕大多數(shù)國(guó)家在2030到2035年停放燃油汽車的牌照，上述數(shù)字還會(huì)大幅增長(zhǎng)。KUKA 很早就意識(shí)到電動(dòng)汽車的潛力。自 2014 年以來(lái)，這家來(lái)自德國(guó)奧格斯堡的自動(dòng)化專業(yè)廠商不斷地優(yōu)化其產(chǎn)品組合，以滿足汽車工業(yè)電子元件制造的特殊要求。位于德國(guó)阿爾高地區(qū)肯普滕（Kempten）的 Liebherr-Verzahntechnik GmbH（利勃海爾齒輪加工技術(shù)有限公司）如今因此受益。這家公司設(shè)計(jì)出一款應(yīng)用程序，在機(jī)器人的輔助下，可以為電動(dòng)汽車制造商及其零部件供應(yīng)商帶來(lái)更安全的生產(chǎn)環(huán)境和更高的生產(chǎn)效率。畢竟，電池對(duì)于電動(dòng)汽車就像心臟對(duì)于人一樣重要。

基于機(jī)器人的裝配系統(tǒng)確保高壓電池模塊的生產(chǎn)過(guò)程更加安全

高壓電池儲(chǔ)存著巨大的能量，對(duì)車輛的續(xù)航里程和充電時(shí)間具有決定性意義。高壓電池由多個(gè)模組構(gòu)成，這些模組相互電氣連接，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)電池包。連接之后，這些電池系統(tǒng)可輸出 400 至 800 伏特的直流電壓。然而，由于用于連接模組的銅排裸露在模組表面，會(huì)給員工帶來(lái)極大的安全隱患。

另一種方法則是使用插拔式模塊連接器。利勃海爾與 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 合作，在機(jī)器人的協(xié)助下開發(fā)了一種用于自動(dòng)化組裝柔性電纜插拔式模塊連接器的創(chuàng)新工藝。KOSTAL 的插拔式模塊連接器非常靈活且具有絕緣效果，可防止人員意外接觸帶電部件。即便電纜具有很高的彈性，該系統(tǒng)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)插入，兼具靈活性和短節(jié)拍。

要達(dá)到大量生產(chǎn)高壓電池并符合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，自動(dòng)化扮演著關(guān)鍵角色。

Viktor Bayrhof，Liebherr-Verzahntechnik GmbH 自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理

電動(dòng)汽車：空心軸機(jī)器人和專用軟件推動(dòng)創(chuàng)新

每個(gè)工作單元內(nèi)有兩臺(tái) KR CYBERTECH nano ARC HW 負(fù)責(zé)處理插接過(guò)程。一般而言，這些空心軸機(jī)器人主要用于氣體保護(hù)弧焊。然而，其緊湊的設(shè)計(jì)和大工作范圍以及可以將手腕軸作為電纜導(dǎo)管等優(yōu)點(diǎn)，也使它們成為插接應(yīng)用的好幫手。此外，利勃海爾團(tuán)隊(duì)還選用了軟件包 KUKA.RoboTeam。這套軟件可以使兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器人同步協(xié)作。軟件會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)照程序和運(yùn)動(dòng)，因此即使是復(fù)雜的過(guò)程（例如連接柔性部件）也不成問(wèn)題，這是電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的真正創(chuàng)新。

兩臺(tái) KR CYBERTECH nano ARC HW 在一個(gè)工作單元中插接電子連接。

兩個(gè)機(jī)器人小臂在高壓電池的生產(chǎn)中同步協(xié)同工作，由 KUKA.RoboTeam 軟件包控制。

專業(yè)技術(shù)人員短缺促使自動(dòng)化向前發(fā)展

為了滿足汽車工業(yè)多方面的要求，例如周期時(shí)間、數(shù)量、質(zhì)量和生產(chǎn)成本，電池生產(chǎn)過(guò)程中的大部分流程步驟如今已經(jīng)完全自動(dòng)化。此外，專業(yè)技術(shù)人員短缺也推動(dòng)了自動(dòng)化的強(qiáng)勁趨勢(shì)。愿意承擔(dān)這種單調(diào)、體力負(fù)擔(dān)高、同時(shí)又要求嚴(yán)苛的任務(wù)的專業(yè)技術(shù)人員越來(lái)越少。來(lái)自德國(guó)呂登沙伊德（Lüdenscheid）的 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 公司自 1938 年以來(lái)致力于生產(chǎn)和銷售汽車工業(yè)用的連接器。這家公司意識(shí)到這塊市場(chǎng)仍然空白，因此開發(fā)了一款同時(shí)適合手動(dòng)和自動(dòng)化的插接頭。KOSTAL 開發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Martin Wolter 表示：“安全性在這里起著非常重要的作用。這里所處理的是高壓觸點(diǎn)，因此必須防止意外接觸。類似于插座，這里的觸點(diǎn)也受到保護(hù)，防止手指意外觸碰。然而，不同之處在于車輛中的插頭連接會(huì)受到振動(dòng)以及高溫和低溫的影響。”

我們的系統(tǒng)非常堅(jiān)固，整個(gè)使用壽命期間都能夠在不斷變化的負(fù)載下可靠地傳輸電力。

Martin Wolter，KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 開發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

KR CYBERTECH nano ARC HW 的設(shè)計(jì)修長(zhǎng)，因此可以將兩臺(tái)機(jī)器人安裝在一個(gè)緊湊的工作單元中。

電動(dòng)汽車電池組組裝的里程碑

隨后 KOSTAL 開始尋找自動(dòng)化專家，旨在使新品能夠適合量產(chǎn)。KOSTAL 在肯普滕的利勃海爾公司找到了他們需要的技術(shù)。自 1969 年以來(lái)，這家來(lái)自阿爾高地區(qū)的公司一直為眾多汽車制造商和零部件供應(yīng)商以及設(shè)備制造、航空航天和建筑機(jī)械領(lǐng)域的客戶提供創(chuàng)新解決方案。

Viktor Bayrhof 站在創(chuàng)新的工作單元前。這個(gè)工作單元僅在一年半后就在電池展上亮相。

自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理 Viktor Bayrhof 表示：“這是一個(gè)雙贏局面。作為最近才加入電池組裝領(lǐng)域的新參與者，我們找到了獨(dú)特的賣點(diǎn)。然而，KOSTAL 公司也找到了能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化的伙伴。”這家總部位于阿爾高的公司一直與 KUKA 密切合作十余載。這三家公司合作了一年半后，新的機(jī)器人單元就可以在德國(guó)斯圖加特的電池展上展出。

安裝：機(jī)器人插接柔性電纜

它們?cè)谡箷?huì)上備受矚目，因?yàn)?strong>帶柔性電纜的插拔式模塊連接器較帶母線的螺釘連接具有更多優(yōu)勢(shì)：它們只需將連接器和配合件相互連接，因此更容易組裝。此外，它們可以吸收車輛運(yùn)行期間的振動(dòng)，因而減少因磨損而導(dǎo)致失去電接觸的情況。在日后更換電池模塊時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)也具有優(yōu)勢(shì)，例如，在二次使用或回收電池組模塊時(shí)。唯一的問(wèn)題是：由于電纜是柔性的，因此即使在施加的力和力矩都很低的情況下也會(huì)變形。

穩(wěn)固連接 – 這是推廣電動(dòng)汽車過(guò)程中極其重要的一步。

加工柔性部件需要最佳解決方案

用機(jī)器處理柔性部件仍然是現(xiàn)今組裝任務(wù)中的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，例如，機(jī)器人很難抓住會(huì)向任何方向扭曲的彈性電纜。利勃海爾以 KR CYBERTECH nano ARC HW 為基礎(chǔ)，開發(fā)出一款特殊夾爪，可以從泡殼中取出電纜。由于泡殼中的電纜事先沒(méi)有精確地放在一定位置，因此此處會(huì)采用 2D 攝像機(jī)，以便準(zhǔn)確找出高彈性柔性電纜上的抓取位置，并將電纜末端的模塊連接器精確定位在連接器配合件的上方。

在 2D 攝像機(jī)的輔助下，機(jī)器人可以精確地抓取并插接高壓電池的柔性部件。

彈簧組提供恰到好處的力量

由于連接器必須小心處理，因此將插接過(guò)程解耦以確保順利運(yùn)行。一個(gè)彈簧組負(fù)責(zé)控制傳輸?shù)竭B接器和連接器位置保證（CPA）的力。然后，氣缸將連接器壓入連接器配合件中。這個(gè)彈簧組件會(huì)受到加壓，直到達(dá)到 70 牛米的力矩并觸發(fā)終端位置傳感器。同時(shí)，彈簧承載的鎖定銷將 CPA 向下推。這樣會(huì)使 CPA 鎖定，連接器牢固插入，夾爪便可以再次向上移動(dòng)。與其他自動(dòng)化專業(yè)供貨商相比，利勃海爾刻意避免將試錯(cuò)過(guò)程作為柔性電纜的插接過(guò)程的解決方案，因?yàn)槊恳粋€(gè)抓取動(dòng)作都必須一次到位。他們這樣做的原因是，該技術(shù)應(yīng)適合量產(chǎn)，并且必須能夠滿足嚴(yán)格要求的周期時(shí)間。結(jié)果證明，這非常有效：系統(tǒng)的節(jié)拍比規(guī)定的 17 秒更短，交出了 11 秒的佳績(jī)。

正確的機(jī)器人與軟件組合帶來(lái)優(yōu)異性能

自動(dòng)化制程中采用了 KR CYBERTECH nano ARC HW。這款靈活、經(jīng)濟(jì)高效的工業(yè)機(jī)器人專門用于處理小型工件，而且還可以到達(dá)難以接近的插接位置。此外，其也具有不受控靜電充電或放電 (ESD) 保護(hù)，非常適合處理敏感電子元件。值得一提的還有，這款設(shè)計(jì)緊湊的機(jī)器人可以充分利用狹小的空間。

電池生產(chǎn)的每個(gè)步驟都可以使用 KUKA smartPAD 手持操作設(shè)備進(jìn)行跟蹤和控制。

利勃海爾利用軟件 KUKA.RoboTeam 使兩個(gè)夾爪能夠像人類手臂一樣，在主控-從站-運(yùn)作模式之下良好地配合。這樣一來(lái)，機(jī)器人可以處理不同的電纜長(zhǎng)度和插接位置，并補(bǔ)償位置公差。集成圖像識(shí)別系統(tǒng)有助于確定插槽的真實(shí)位置。此外，該解決方案不僅可用于電接觸，還可用于電池生產(chǎn)中的其他彈性組件，例如，電池管理系統(tǒng) (BMS) 和電池管理控制器 (CMC) 之間數(shù)據(jù)線的自動(dòng)插接過(guò)程。

高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：準(zhǔn)備好迎接電動(dòng)汽車

KUKA 電子全球業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 Martin Klaus 表示，汽車工業(yè)的許多公司只有在自動(dòng)化的幫助下才能在未來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)力。Klaus 強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“由于電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)以及車輛技術(shù)的日益進(jìn)步，汽車中復(fù)雜電子元件的數(shù)量和種類正在顯著增加，”Klaus 繼續(xù)說(shuō)，“這些組件，包括逆變器、電機(jī)、顯示器、攝像機(jī)和控制單元，只能以高度自動(dòng)化的方式制造，并達(dá)到所需的質(zhì)量和數(shù)量。”

機(jī)器人技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電子產(chǎn)品生產(chǎn)所需的大量流程。

Martin Klaus，KUKA 電子產(chǎn)品全球業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理

電池組組裝領(lǐng)域的新合作伙伴關(guān)系前景無(wú)限

德國(guó)奧格斯堡機(jī)器人專家已為此做好準(zhǔn)備，其產(chǎn)品組合中擁有 ESD 保護(hù)機(jī)器人以及經(jīng)過(guò)凈室和干燥室認(rèn)證的機(jī)器人。利勃海爾的 Viktor Bayrhof 也持類似觀點(diǎn)。“高壓電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中最昂貴的組件，”Bayrhof 說(shuō)，“為了以更經(jīng)濟(jì)的方式大量生產(chǎn)這些電池，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。”這三家公司參與開發(fā)的解決方案即使在大變局年代也能確保公司的競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樗麄兛梢猿掷m(xù)掌控生產(chǎn)過(guò)程，包括柔性部件。