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庫卡案例 | 庫卡助力利勃海爾公司實現電動汽車電池組組裝自動化
導讀：電動汽車是未來的主要發展趨勢，其不僅有助于減少二氧化碳排放量，并且可降低維修和維護的成本。
【塑料機械網 明星企業】電動汽車電池的生產過程具有相當大的危險性，因為電池模組的連接會產生極高的電壓。Liebherr-Verzahntechnik GmbH(利勃海爾技術有限公司)與 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 和庫卡合作，采用 KR CYBERTECH nano 系列機器人，開發了安全高效連接帶高電壓的電池模組解決方案。
自動化技術助力電動汽車發展
電動汽車是未來的主要發展趨勢，其不僅有助于減少二氧化碳排放量，并且可降低維修和維護的成本。據估計，目前全球已有超過 2700 萬輛插電式混合動力汽車和純電動汽車。絕大多數國家在2030到2035年將停放燃油汽車的牌照，上述數字預計還會大幅增長。
庫卡很早就意識到電動汽車的潛力。自 2014 年以來，這家來自德國奧格斯堡的自動化專家便不斷地優化其產品組合，以滿足汽車工業電子元件制造的特殊要求。位于德國阿爾高地區肯普滕(Kempten)的利勃海爾公司也因此而受益。該公司設計出一款應用程序，在機器人的輔助下，可以為電動汽車制造商及其零部件供應商帶來更安全的生產環境和更高的生產效率。電池對于電動汽車來說就像心臟對于人一樣重要。
確保高壓電池模塊的生產過程更加安全
高壓電池儲存著巨大的能量，對車輛的續航里程和充電時間具有決定性意義。高壓電池由多個模組構成，這些模組相互電氣連接，進而構成一個電池包。連接之后，這些電池系統可輸出 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，會給員工帶來極大的安全隱患。
機器人同時將插拔式模塊連接器向下移至電池模塊
另一種方法則是使用插拔式模塊連接器。利勃海爾公司與 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 合作，在機器人的協助下開發了一種用于自動化組裝柔性電纜插拔式模塊連接器的創新工藝。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，該系統仍然能夠實現自動插入，兼具靈活性和短節拍。
空心軸機器人和專用軟件推動創新
每個工作單元內有兩臺 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于氣體保護弧焊。然而，其緊湊的設計和大工作范圍以及可以將手腕軸作為電纜導管等優點，也使它們成為插接應用的好幫手。此外，利勃海爾團隊還選用了軟件包 KUKA.RoboTeam。這套軟件可以使兩臺或多臺機器人同步協作。軟件會實時對照程序和運動，因此即使是復雜的過程(例如連接柔性部件)也不成問題，這是電動汽車領域中的真正創新。
兩臺 KR CYBERTECH nano ARC HW 在一個工作單元中插接電子連接
專業技術人員短缺促使自動化向前發展
為了滿足新能源汽車生產中對節拍、數量、質量和生產成本等多方面更高的要求，電池生產過程中的大部分流程如今已經實現自動化。此外，專業技術人員短缺也推動了自動化的強勁趨勢。愿意承擔這種單調、體力負擔重、同時又要求嚴苛的任務的專業技術人員越來越少。
KR CYBERTECH nano ARC HW 的設計修長，因此可以將兩臺機器人安裝在一個緊湊的工作單元中
來自德國呂登沙伊德(Lüdenscheid)的 KOSTAL Kontakt Systeme GmbH 公司自 1938 年以來致力于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，因此開發了一款同時適合手動和自動化的插接頭。KOSTAL 開發團隊負責人 Martin Wolter 表示：“安全性在這里非常重要。這里所處理的是高壓觸點，因此必須防止意外接觸。類似于插座，這里的觸點也受到保護，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受到振動以及高溫和低溫的影響。”
電動汽車電池組組裝的里程碑
隨后 KOSTAL 開始尋找自動化專家，旨在使新品能夠適合量產。KOSTAL 在肯普滕的利勃海爾公司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制造商和零部件供應商以及設備制造、航空航天和建筑機械領域的客戶提供創新解決方案。
自動化系統產品經理Viktor Bayrhof 站在創新的工作單元前，這個工作單元僅在一年半后就在電池展上亮相
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參與者，我們找到了獨特的賣點。KOSTAL 公司也找到了能夠實現產品自動化的伙伴。”這三家公司合作了一年半后，新的機器人單元就已經在德國斯圖加特的電池展上展出了。
安裝：機器人插接柔性電纜
它們在展會上備受矚目，因為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勢，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行期間的振動，因而減少因磨損而導致失去接觸的情況。在日后更換電池模塊、二次使用或回收電池組模塊時，這樣的設計也更具有優勢。唯一的問題就是，由于電纜是柔性的，因此即使在施加很小的力或力矩下也會變形，使普通的自動化設備難以處理。
穩固連接 – 這是推廣電動汽車過程中極其重要的一步
加工柔性部件需要優異的解決方案
用機器處理柔性部件仍然是現今組裝任務中的一個巨大挑戰。例如，機器人很難抓住會向任何方向扭曲的彈性電纜。利勃海爾公司以 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。由于泡殼中的電纜事先沒有精確地放在一定位置上，因此會采用 2D 攝像機，以便準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 攝像機的輔助下，機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，因此將插接過程解耦以確保順利運行。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。然后，氣缸將連接器壓入連接器配合件中。這個彈簧組件會受到加壓，直到達到 70 Nm的力矩并觸發終端位置傳感器。同時，彈簧承載的鎖定銷將 CPA 向下推。這樣會使 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貨商相比，利勃海爾公司刻意避免將試錯過程作為柔性電纜的插接過程的解決方案，因為每一個抓取動作都必須一次到位。他們這樣做的原因是，該技術應適合量產，并且必須能夠滿足嚴格要求的周期時間。結果證明，這非常有效。系統的節拍比規定的 17 秒更短，創造了 11 秒的佳績。
合適的機器人與軟件組合帶來優異性能
自動化制程中采用了 KR CYBERTECH nano ARC HW。這款靈活、經濟高效的工業機器人專門用于處理小型工件，而且還可以到達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，非常適合處理敏感電子元件。值得一提的還有，這款設計緊湊的機器人可以充分利用狹小的空間。
電池生產的每個步驟都可以使用 KUKA smartPAD 手持操作設備進行跟蹤和控制
利勃海爾公司利用軟件 KUKA.RoboTeam 使兩個夾爪能夠像人類手臂一樣，在主控-從站-運作模式之下良好地配合。這樣一來，機器人可以處理不同的電纜長度和插接位置，并補償位置公差。集成圖像識別系統有助于確定插槽的真實位置。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) 之間數據線的自動插接過程。
高質量標準：準備好迎接電動汽車
庫卡的電子行業全球業務發展經理 Martin Klaus 表示，汽車行業中的許多公司只有在自動化的幫助下才能在未來保持競爭力。Klaus 強調說：“由于電動汽車的發展趨勢以及車輛技術的日益進步，汽車中復雜電子元件的數量和種類正在顯著增加，”Klaus 繼續說，“這些組件，包括逆變器、電機、顯示器、攝像機和控制單元，只能以高度自動化的方式制造，才能達到所需的質量和數量。
通過硬件和軟件的交互，各個組件都非常容易控制
電池組組裝領域的新合作伙伴關系前景無限
機器人專家庫卡已為此做好準備，其產品組合中擁有 ESD 保護機器人以及經過潔凈室和干燥室認證的機器人。利勃海爾公司的 Viktor Bayrhof 也認為：“高壓電池系統是電動汽車中最昂貴的組件。為了以更經濟的方式大量生產這些電池，自動化技術發揮著關鍵性的作用。”這三家公司參與開發的解決方案能夠確保公司的競爭力，因為他們可以持續改進生產過程，包括對柔性部件處理。
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