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即使是軟曲件也能正確安裝:使用同步技術,KUKA機械手臂實現自動化電池組組裝

電動汽車的電池製造過程具有相當大的危險性。原因在於電池模組的電連接會產生極高的電壓。KUKA 與 Liebherr-Verzahntechnik GmbH 和 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 兩家公司合作,目前已開發出一種技術採用兩台 KR CYBERTECH nano 系列機器人,成功安全高效地連接高壓電池模組。


自動化是電動交通的背後推手

電動汽車是未來的主要趨勢,因為運行安靜平穩,使用可再生能源的比例不斷增加,有助於減少二氧化碳排放量,並降低維修和維護成本。據估計,目前全球有超過 2700 萬輛插電式混合動力汽車和電動汽車在路上行駛。多數大型國家計畫在 2030 年至 2035 年間減少內燃機車型登記數量,故上述數字還會大幅增加。KUKA 很早就意識到電動汽車的潛力,自 2014 年以來,我們不斷地改良產品組合,以因應汽車電子元件製造業的特殊要求。位於德國阿爾高地區肯普滕(Kempten)的 Liebherr-Verzahntechnik GmbH(利勃海爾齒輪加工技術有限公司)如今也從中受益。以機器人為輔助,這家公司設計出一個應用方案,可以為電動汽車製造商及其供應商提供更多的安全性和實現更高的生產力。畢竟,一輛電動汽車沒有電池,就等於人類沒有心臟。
連接高壓電池模組的過程本身是由兩架 KR CYBERTECH nano ARC HW 負責,將電池製造過程的安全性和效率提升至全新水準。

機器人輔助高壓電池組裝確保製程更安全

高壓電池蘊藏著巨大的能量,對車輛的續航力和充電所需時間有重大影響。高壓電池由多個模組構成,這些模組相互電氣連接,進而構成一個電池組。連接之後,這些電池系統可輸出 400 至 800 伏特的直流電壓。然而由於接觸表面外露
,一般用於建立連接的匯流排,會對員工造成安全風險。 
機器人同時將插拔式模組連接器向下移至電池模組。
另一種方法則是使用插拔式模組連接器。來自德國阿爾高的公司與 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 合作,並在機器人的協助下開發了一種創新製程,用於軟電纜插拔式模組連接器的自動化組裝。KOSTAL 的插拔式模組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;即便電纜具高彈性,仍然能夠自動插入——兼具所需的靈活性和必要的循環時間。

要達到大量生產高壓電池並符合經濟效益的目標,自動化扮演著關鍵角色。

Viktor Bayrhof,Liebherr-Verzahntechnik GmbH 自動化系統產品經理

電動汽車:空心軸機器人和專用軟體推動創新

每個工作單元內有兩架 KR CYBERTECH nano ARC HW 負責處理插接過程。一般而言,這些空心軸機器人主要用於弧形焊接。然而,緊湊機身和大作用範圍,以及可以將腕部軸作為電纜導管等優點,也使它們成為此案插接應用的完美選擇。此外,Liebherr-Verzahntechnik GmbH 團隊還選用了套裝軟體 KUKA.RoboTeam。這套軟體可以使兩台到多台機器人同步協作。軟體會即時對照程式和運動,因此即使是連接軟性零件等複雜過程也不成問題,這絕對是電動汽車領域中的創新技術。
兩架 KR CYBERTECH nano ARC HW 在一個工作單元中插接電子連接。
兩台機械手臂在高壓電池的生產過程中同步工作,由 KUKA.RoboTeam 套裝軟體控制。

專業人員的短缺推動自動化向前發展

為了滿足汽車產業多方面的要求,例如循環時間、數量、品質和生產成本,電池製造過程中的大部分技術步驟已經完全自動化。此外,專業人員的短缺也強烈推動了自動化趨勢。願意承擔這種單調、體力負擔高、同時又高要求的任務的專業人員越來越少。來自德國呂登沙伊德(Lüdenscheid)的 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 公司自 1938 年以來致力於生產和銷售汽車工業用的連接器。這家公司意識到這塊市場仍然空白,因此開發了一種同時適合手動和自動化插拔連接器。KOSTAL 開發團隊負責人 Martin Wolter 表示:「安全性在這裡非常重要——這裡所處理的是高壓觸點,因此必須防止意外接觸。這類似於插座,它的觸點也受到保護來防止手指意外觸碰。不同之處在於車輛中的連接器會受到振動以及高溫和低溫的影響。」

我們的系統非常堅固,整個使用壽命期間都能夠在不斷變化的負載下可靠地傳輸電力。

Martin Wolter,KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 開發團隊負責人
KR CYBERTECH nano ARC HW 的設計修長,因此可以將兩架機器人安裝在一個小空間工作單元中。

電動汽車電池組組裝的里程碑

隨後 KOSTAL 開始尋找自動化專家,旨在使產品能夠投入批量生產。KOSTAL 在 Liebherr-Verzahntechnik GmbH 找到了他們需要的技術。自 1969 年以來,這家來自阿爾高地區的公司一直為眾多汽車製造商和供應商以及設備製造、航空航太和建築機械領域的客戶提供創新解決方案。 
Viktor Bayrhof 站在創新的工作單元前。這個工作單元僅在一年半後就在電池展上亮相。
自動化系統產品經理 Viktor Bayrhof 表示:「這是一個雙贏局面。作為最近才加入電池組裝領域的新角逐者,我們找到了獨特的賣點,而 KOSTAL 也找到了能夠實現產品自動化的夥伴。」這家公司十多年來一直與 KUKA 密切合作。三家公司開始合作,僅僅一年半後,新的機器人工作單元就在斯圖加特的電池展上展出。

組裝:機器人插入軟電纜

他們在展覽會上引起了很多關注,因為軟電纜插拔式模組連接器與匯流排螺絲連接相比之下具有更多優勢:它們更容易組裝,因為只需將連接器和配對件相互連接,並且可以吸收車輛運行期間的振動,因而減少因磨損而導致失去電接觸的情況。在日後更換電池模組時,這樣的設計也具有優勢,例如在二次使用或回收電池組模組時。唯一的問題是:由於電纜是軟的,因此即使施加的力量和力矩都很低的情況下也會變形。
穩固連接——這是推廣電動汽車過程中極其重要的一步。

加工軟零件需要最佳解決方案

用機器處理軟性零件仍然是現今組裝任務中的一個主要挑戰:例如,機器人很難抓住會向任何方向扭曲的彈性電纜。KR CYBERTECH nano ARC HW 為基礎,開發出一款特殊夾爪,可以從泡殼中取出電纜。由於泡殼裡的電纜事先沒有精確地放在一定位置,因此此處採用 2D 攝影機,以便準確找出高彈性軟電纜上的夾持位置,並將電纜末端的模組連接器精確定位在連接器對應件的上方。
在 2D 攝影機的輔助下,機器人可以精確地抓住並插入高壓電池的軟零件。

彈簧組提供恰到好處的力量

由於連接器必須小心處理,因此將插接過程去耦以確保順利運行。一個彈簧組負責控制傳輸到連接器和連接器位置保證(CPA)的力。接著,氣缸將連接器壓入連接器配對件中。這個彈簧組件會受到加壓,直到達到 70 牛頓米的力矩並觸發終端位置感應器。同時,彈簧承載的鎖定銷將 CPA 向下推。如此會使 CPA 鎖定,連接器牢固插入,夾爪便可以再次向上移動。與其他自動化專業供應商相比,Liebherr-Verzahntechnik GmbH刻意不使用嘗試錯誤法來解決軟電纜的插接過程,因為每一個動作都必須一次到位。因為該技術需適合量產,並且必須能夠滿足嚴格要求的循環時間。結果證明,這非常有效:系統的循環時間比規定的 17 秒更短,交出了 11 秒的佳績。

正確的機器人與軟體組合帶來最佳性能

自動化製程中採用了 KR CYBERTECH nano ARC HW。這款靈活、經濟高效的工業機器人專門用於處理小型組件,而且還可以到達難以觸及的插接位置。保護不受控靜電充電或放電的風險 (ESD) ,非常適合處理敏感電子元件。為了在空間有限的機器人工作單元中使用,結構修長的KUKA機械手臂可以充分利用狹小的空間。 
電池製造過程的每個步驟都可以使用 KUKA smartPAD 手持設備來追蹤和控制。
Liebherr-Verzahntechnik GmbH利用軟體 KUKA.RoboTeam 使兩支機器手能夠像人類手臂一樣,在主控制器-從站-運作模式之下完美合作。如此一來,機器人可以處理不同的電纜長度和插接位置,並補償位置公差。內建影像識別系統有助於確定插槽的確實位置。該解決方案不僅可用於電接觸,還可用於電池生產中的其他彈性組件,例如電池管理系統(BMS)和電池管理控制器(CMC)之間資料線的自動插接過程。

高品質標準:準備好迎接電動汽車

KUKA 電子產品全球業務發展經理 Martin Klaus 表示,汽車產業的許多公司只有在自動化的協助下才能在未來保持競爭力。同時也是汽車電子部門負責人的 Klaus 並強調:「由於電池驅動電動汽車的發展趨勢以及車輛技術的不斷進步,汽車中複雜電子元件的數量和種類正不斷明顯增加。」Klaus 表示,包括變流器、電動馬達、顯示器、攝影機和控制單元等元件,「都只能以高度自動化的方式製造,以達到所需的品質和數量。」
透過硬體和軟體的協作,各個組件都非常容易控制。

機器人技術能夠實現製造電子產品所需的大量流程。

Martin Klaus,KUKA 電子產品全球業務發展經理

電池組組裝領域的新合作夥伴關係前景無限

KUKA專家已為此做好準備,其產品組合中擁有 ESD 保護機器人,以及經過無塵室和乾燥室認證的機器人。Liebherr-Verzahntechnik GmbH的 Viktor Bayrhof 也持類似觀點。「高壓電池系統是電動汽車中最昂貴的組件,」Bayrhof 說:「為了以符合經濟效益的方式大量生產這些電池,自動化扮演著關鍵角色。」這三家公司所開發的解決方案即使在動盪時期也能確保公司的競爭力,並能夠長期掌握製造過程——包括軟性零組件。

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