一种燃料电池电堆自动堆叠装置与方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是燃料电池电堆自动堆叠装置。本发明还涉及燃料电池电堆自动堆叠方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能源转换装置。由于采用纯氢作为燃料电池的燃料，反应产物只有水，可以实现零污染排放，并且燃料电池工作时不存在机械运动，噪音小，而且燃料电池的理论效率高、适用范围广，是21世纪应用前景最广阔的绿色动力系统。
3.氢燃料电池具有零污染、低噪音、高效率、适用广的优点，被广泛应用于固定电源、便携式电源、交通运输、航空航天、船舶动力等众多领域，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。
4.燃料电池单电池可以产生约0.7v的输出电压，无法满足实际应用需求。一般需要将多个相同的单电池进行串联，其膜电极和双极板交替堆叠，形成一个燃料电池电堆，从而提供电力。
5.目前，燃料电池电堆堆叠方法多为手工堆叠，该方法在堆叠前需要手工安装物料导向限位装置，然后人工按照电堆堆叠的指定顺序逐片进行堆叠。膜电极、双极板等电堆核心工件需要堆叠数量较多，且相互位置匹配度要求高，对堆叠操作的精度、可重复性要求高，而人工堆叠操作过程存在操作繁琐、耗时长、调整困难等问题。因此需要一种避免电堆堆叠失误、降低操作成本以及提高生产效率的装置和方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种能够避免电堆堆叠失误、降低操作成本以及提高生产效率的燃料电池电堆自动堆叠装置。
7.本发明的另一目的在于提供一种采用所述燃料电池电堆自动堆叠装置进行堆叠的方法。
8.为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池电堆自动堆叠装置，包括：
9.第一物料台装置，设有第一膜电极垫板和第一双极板垫板，所述第一膜电极垫板用于承载膜电极，所述第一双极板垫板用于承载双极板a；
10.第二物料台装置，设有第二膜电极垫板和第二双极板垫板，所述第二膜电极垫板用于承载膜电极，所述第二双极板垫板用于承载双极板b；
11.二次定位装置，用于承载堆叠托盘，在堆叠过程中，其带动所述托盘相对于水平面处于具有空间角的倾斜状态；
12.第一堆叠机器人，设有机器人夹爪；所述第一堆叠机器人用于带动所述机器人夹爪从所述第一物料台装置同时抓取膜电极和双极板a，并对膜电极和双极板a进行检测后，将膜电极和双极板a依次堆叠于所述托盘；
13.第二堆叠机器人，设有机器人夹爪；所述第二堆叠机器人用于带动所述机器人夹爪从所述第二物料台装置同时抓取膜电极和双极板b，并对膜电极和双极板b进行检测后，将膜电极和双极板b依次堆叠于所述托盘。
14.可选地，所述二次定位装置包括由下至上分层布置且相互间隔的底座、放置座、升降板和顶升板；所述底座与放置座之间设有支撑柱，所述放置座设有导向套，所述升降板通过导向轴安装于所述放置座，所述放置座的下方设有竖向布置的升降气缸，所述升降气缸用于带动所述升降板相对于所述放置座进行升降；所述升降板的下方设有顶升气缸，所述顶升板一侧的底部与所述升降板转动连接，所述顶升板另一侧的底部与所述顶升气缸的伸缩端相铰接，所述顶升气缸用于带动所述顶升板相对于所述升降板倾斜至设定角度。
15.可选地，所述升降气缸和顶升气缸在竖直方向上的投影相互错开，且所述放置座上设有供所述顶升气缸穿过的让位口。
16.可选地，所述升降气缸包括第一升降气缸和第二升降气缸，所述第一升降气缸和第二升降气缸在所述放置座的底部沿第一对角线方向布置，所述顶升板的转动连接部位和铰接部位在所述升降板的底部沿第二对角线方向布置，所述第一对角线方向与第二对角线方向在竖直方向上的投影呈“x”形。
17.可选地，所述顶升板的顶部设置有托盘定位机构。
18.可选地，所述托盘定位机构包括在所述顶升板的上表面沿对角线方向布置的两个第一定位块和沿另一对角线方向布置的两个第二定位块；所述两个第一定位块中的一个在顶部设有圆形定位销，另一个在顶部设有菱形定位销。
19.可选地，所述机器人夹爪包括吸盘支架和设于所述吸盘支架下表面的第一吸盘和第二吸盘，所述第一吸盘用于以吸附的方式抓取膜电极，所述第二吸盘用于以吸附的方式抓取双极板a或双极板b。
20.可选地，所述吸盘支架呈“工”字形，所述第一吸盘设于所述吸盘支架的第一横向部分的下表面，所述第二吸盘设于所述第二横向部分的下表面。
21.可选地，所述吸盘支架的中部在背面设有连接柱，所述吸盘支架能够绕所述连接柱旋转180度，以使所述第一吸盘和第二吸盘在堆叠时分别依次对应于所述托盘的堆叠区域。
22.可选地，所述吸盘支架的侧端设置有固定扫码器，所述固定扫码器其用于在抓取过程中对工件进行扫码。
23.可选地，所述吸盘支架设有勾爪；所述勾爪用于插入随行夹具的球形手柄，从而自动关闭随行夹具的拉门。
24.可选地，所述吸盘支架设置有用于测量膜电极与双极板a或膜电极与双极板b之间高度差的激光测距传感器。
25.可选地，所述第一物料台装置和第二物料台装置均设有用于承载膜电极垫板的抬升支架和抬升机器人；所述抬升机器人用于驱动所述抬升支架进行升降，以弥补膜电极与双极板a或膜电极与双极板b之间的高度差，使膜电极与双极板a或膜电极与双极板b等高。
26.可选地，还包括视觉检测装置；所述视觉检测装置设置有相机，以对机器人抓取的工件进行检测和/或拍照定位。
27.可选地，还包括标定装置；所述标定装置用于对所述第一堆叠机器人和第二堆叠
机器人进行原点标定，以规划所述第一堆叠机器人和第二堆叠机器人的轨迹。
28.为实现上述另一目的，本发明提供一种燃料电池电堆自动堆叠方法，采用上述任一项所述燃料电池电堆自动堆叠进行堆叠，包括：
29.s1：将膜电极和双极板a上料至第一物料台装置，将膜电极和双极板b上料至第二物料台装置；
30.s2：二次定位装置进行动作，带动堆叠托盘相对于水平面处于具有空间角的倾斜状态；
31.s3：第二堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极和双极板b进行抓取；
32.s4：第二堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极和双极板b进行检测和堆叠；
33.s5：第一堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极和双极板a进行抓取；
34.s6：第一堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极和双极板a进行检测和堆叠；
35.s7：重复所述步骤s3-步骤s6；
36.s8：第二堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极进行抓取；
37.s9：第二堆叠机器人带动机器人夹爪对膜电极进行检测和堆叠；
38.s10：二次定位装置复位，使托盘处于水平状态。
39.进一步地，所述步骤s3中，所述机器人夹爪上的激光测距传感器将夹爪距离工件的信息传递给第二物料台装置的抬升机器人，由抬升机器人控制承载膜电极垫板的抬升支架升降，从而使膜电极和双极板b保持等高，使机器人夹爪能够顺利抓取工件，在抓取过程中，所述机器人夹爪通过固定扫码器对膜电极和双极板b进行扫码。
40.进一步地，所述步骤s4中，所述对膜电极和双极板b进行检测和堆叠包括：所述第二堆叠机器人带动膜电极和双极板b到视觉检测装置进行精度检测；接着，所述第二堆叠机器人带动膜电极和双极板b至堆叠位按照顺序进行堆叠；然后，第二堆叠机器人带动机器人夹爪移至原位。
41.进一步地，所述步骤s5中，所述机器人夹爪上的激光测距传感器将夹爪距离工件的信息传递给第一物料台装置的抬升机器人，由抬升机器人控制承载膜电极垫板的抬升支架升降，从而使膜电极和双极板a保持等高，使机器人夹爪能够顺利抓取工件，在抓取过程中，所述机器人夹爪通过固定扫码器对膜电极和双极板a进行扫码。
42.进一步地，所述步骤s6中，所述对膜电极和双极板a进行检测和堆叠包括：所述第一堆叠机器人带动膜电极和双极板a到视觉检测装置进行精度检测；接着，所述第一堆叠机器人带动膜电极和双极板a至堆叠位按照顺序进行堆叠；然后，第一堆叠机器人带动机器人夹爪移至原位。
43.进一步地，所述步骤s7中，对所述步骤s3-步骤s6进行重复，包括：对步骤s3-步骤s6重复150-300次，再对步骤s3-步骤s4重复1次。
44.进一步地，所述步骤s8中，包括：机器人夹爪抓取膜电极，并在抓取过程中，机器人夹爪通过固定扫码器对膜电极进行扫码。
45.进一步地，所述步骤s9中，膜电极的检测和堆叠包括：第二堆叠机器人带动膜电极到视觉检测装置进行精度检测；接着，第二堆叠机器人带动膜电极至堆叠位进行堆叠；然后，第二堆叠机器人带动机器人夹爪移至原位。
46.本发明所提供的燃料电池电堆自动堆叠装置与方法，采用机器人代替人工进行堆
叠，可以实现燃料电池电堆自动堆叠功能，而且，在堆叠过程中，二次定位装置能够带动托盘相对于水平面处于具有空间角的倾斜状态，这种堆叠方式，一方面，可以防止工件在堆叠的过程中从托盘上脱落，另一方面，可以使具有柔性的工件在重力作用下自动展平，避免出现弯曲、变形、褶皱等各种堆叠不良现象，不仅能够避免繁琐的人工操作，还可以提高电堆堆叠的精度和效率，便于批量化生产，实用性强。
附图说明
47.图1为本发明实施例公开的一种燃料电池电堆自动堆叠装置的整体结构示意图；
48.图2为图1中所示视觉检测装置的结构示意图；
49.图3为图1中所示二次定位装置的俯视图；
50.图4为图3所示二次定位装置处于原始位置时的示意图；
51.图5为图3所示二次定位装置处于工作位置时的示意图；
52.图6为图1中所示机器人夹爪的背部结构示意图；
53.图7为图1中所示第一物料台装置、第二物料台装置的结构示意图。
54.附图标记说明如下：
55.1.第一堆叠机器人、2.第二堆叠机器人、3.二次定位装置、4.机器人夹爪、
56.5-1.第一物料台装置、5-2.第二物料台装置、6.视觉检测装置、7.标定装置、
57.8.机器人走线装置、9.防护装置、10.润滑装置、11.标准配置、12.标牌、13.气动设备、14.电气设备、15.相机、16.遮光板、17.光源、18.圆形定位销、19.第一定位块、20.第二定位块、21.菱形定位销、22.顶升板、23.原位检测开关、24.第一升降气缸、25.顶升气缸、26.第二升降气缸、27.倾斜限位机构、28.工作位检测开关、29.导向轴、30.放置座、31.竖直限位机构、32.拖链、34.升降板、35.吸盘支架、36.管接头、37.勾爪、38.连接柱、39.分气块、40.固定扫码器、41.激光测距传感器、42.光电开关、43.压力传感器、44.膜电极垫板、45.双极板垫板、46.单轴机器人、47.限位板、48.球头拉手、49.到位检测开关、50.抬升支架
具体实施方式
58.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
59.在本文中，“上、下、左、右”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，说明书文字有对方向定义的部分，优先采用文字定义的方向，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
60.如图1所示，在一种具体实施例中，本发明燃料电池电堆自动堆叠装置，主要由第一物料台装置5-1、第二物料台装置5-2、二次定位装置3、第一堆叠机器人1、第二堆叠机器人2以及视觉检测装置6、标定装置7等部分组成，其外围设有防护装置9，并设有配套的气动设备13、电气设备14、润滑装置10、以及机器人走线装置8等。
61.视觉检测装置6大体设于外框架的中间位置，其设置有相机15，相机15的下方设有检测台，检测台上设有遮光板16和光源17，以对机器人抓取的工件进行检测和拍照定位。
62.二次定位装置3设置在与视觉检测装置6相对的位置，第一堆叠机器人1和第二堆叠机器人2设置在二次定位装置3与视觉检测装置6之间的区域内。
63.第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2一共设有两组，一组位于视觉检测装置6的左侧，另一组位于视觉检测装置6的右侧，大体呈左右对称的关系。通过设置两组第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2，一方面，可以起到备用的作用，另一方面，当其中一组第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2上的工件抓取完毕需要进行上料时，第一堆叠机器人1和第二堆叠机器人2可转至另一组第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2继续进行抓取，从而不会影响生产节拍。
64.第一堆叠机器人1和第二堆叠机器人2的旁侧设有标定装置7，标定装置7用于机器人原点标定，以方便规划第一堆叠机器人1和第二堆叠机器人2的轨迹。
65.第一物料台装置5-1的台面上设有膜电极垫板44和双极板垫板45，其中，膜电极垫板44用于承载膜电极，双极板垫板45用于承载双极板a。
66.第二物料台装置5-2的台面上也设有膜电极垫板44和第二双极板垫板45，其中，膜电极垫板44用于承载膜电极，双极板垫板45用于承载双极板b。
67.二次定位装置3用于承载堆叠托盘，在堆叠过程中，二次定位装置3可带动托盘相对于水平面处于具有空间角的倾斜状态。
68.第一堆叠机器人1设有机器人夹爪4，其能够通过机器人夹爪4从第一物料台装置5-1同时抓取膜电极和双极板a，并对膜电极和双极板a进行检测后，将膜电极和双极板a依次堆叠于托盘。
69.第二堆叠机器人2同样设有机器人夹爪4，其能够通过机器人夹爪4从第二物料台装置5-2同时抓取膜电极和双极板b，并对膜电极和双极板b进行检测后，将膜电极和双极板b依次堆叠于托盘。
70.如图3、图4、图5所示，二次定位装置3主要由底座、放置座30、升降板34和顶升板22组成，底座、放置座30、升降板34和顶升板22由下至上分层布置且相互间隔一定距离。
71.底座与放置座30之间设有支撑柱，放置座30在四角处一共设有四个导向套，升降板34通过与导向套上下滑动配合的导向轴29安装于放置座30，可相对于放置座30上下移动，放置座30的下方设有两个竖向布置的升降气缸，分别为第一升降气缸24和第二升降气缸26，两个升降气缸用于带动升降板34相对于放置座30进行升降，在进行升降的过程中，通过原位检测开关23与工作位检测开关28检测气缸伸出位置是否合格。
72.升降板34的下方设有顶升气缸25，顶升板22一侧的底部与升降板34转动连接，顶升板22另一侧的底部与顶升气缸25的伸缩端相铰接，顶升气缸25的活塞杆伸出时，可以使顶升板22翘起，从而使顶升板22相对于升降板34倾斜，相对于水平面形成空间角，不仅可以防止工件在堆叠的过程中从托盘上脱落，而且可以使具有柔性的工件在重力作用下自动展平，避免出现弯曲、变形、褶皱等各种堆叠不良现象。
73.为了实现更为合理的布局，使二次定位装置3的结构更加紧凑，本实施例中的第一升降气缸24和顶升气缸25在竖直方向上的投影相互错开，且放置座30上设有一个矩形的让位口，在升降板34上下移动的过程中，顶升气缸25可以从该让位口穿过，从而不会与放置座30在结构上相冲突。
74.具体地，第一升降气缸24和第二升降气缸26在放置座30的底部沿第一对角线方向
布置，顶升板22的转动连接部位和铰接部位在升降板34的底部沿第二对角线方向布置，第一对角线方向与第二对角线方向在空间上呈交叉的态势，在竖直方向上的投影呈“x”形。
75.顶升板22的顶部设置有托盘定位机构，托盘定位机构主要由四个定位块组成，其中两个第一定位块19在顶升板22的上表面沿对角线方向布置，另外两个第二定位块20在顶升板22的上表面沿另一对角线方向布置，两个第一定位块19中的一个在顶部设有圆形定位销18，另一个在顶部设有菱形定位销21，通过圆形定位销18和菱形定位销21可以对托盘进行精确定位。
76.此外，二次定位装置3还设有由竖直限位机构31、倾斜限位机构27、拖链32等附属部件，其中，竖直限位机构31用于限制升降板34向上升起的最大行程，倾斜限位机构27用于限制顶升板22的倾斜角度，拖链32用于带动线路、气路等管线部件进行有规律的移动，并起到防护作用。
77.如图6所示，机器人夹爪4主要由吸盘支架35和设于吸盘支架下表面的第一吸盘和第二吸盘组成，第一吸盘用于以吸附的方式抓取膜电极，第二吸盘用于以吸附的方式抓取双极板a或双极板b，第一吸盘和第二吸盘均为真空吸盘。
78.吸盘支架35呈“工”字形，第一吸盘设于吸盘支架35的第一横向部分的下表面，第二吸盘设于第二横向部分的下表面。吸盘支架35的中部在背面设有连接柱38，吸盘支架35能够绕连接柱38旋转180度，以使第一吸盘和第二吸盘在堆叠时分别依次对应于托盘的堆叠区域，以第一堆叠机器人1为例，其通过机器人夹爪4同时抓取膜电极和双极板a进行堆叠时，首先将第一吸盘对准托盘，将膜电极堆叠在托盘上，然后吸盘支架绕连接柱旋转180度，将第二吸盘对准托盘，将双极板a堆叠在托盘上。这样，可以实现一次抓取，堆叠两层，从而显著提高堆叠效率。
79.吸盘支架35设置有激光测距传感器41，激光测距传感器41用于测量膜电极与双极板a或膜电极与双极板b之间的高度差，以通过下述单轴机器人46和抬升支架50进行弥补，使工件保持等高。
80.此外，吸盘支架35的侧端还设置有固定扫码器40，固定扫码器40用于在抓取过程中对工件进行扫码。
81.吸盘支架35还设有管接头36、分气块39、光电开关42、压力传感器43以及勾爪37等附属构件，其中，勾爪37用于插入随行夹具的球形手柄，从而自动关闭随行夹具的拉门。
82.如图7所示，由于膜电极与双极板a、双极板b具有不同的厚度，每次抓取后，第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2上的膜电极与双极板a、双极板b会存在一定的高度差，进而不利于机器人夹爪4进行抓取。
83.对此，第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2均设有用于承载膜电极垫板的抬升支架50和抬升机器人，本实施例中的抬升机器人采用单轴机器人46，其用于驱动抬升支架50进行升降，以弥补膜电极与双极板a或膜电极与双极板b之间的高度差，使膜电极与双极板a或膜电极与双极板b等高。
84.工作时，单轴机器人46与机器人夹爪4相互配合，机器人夹爪4上的激光测距传感器41把机器人夹爪4距离工件的信息传给单轴机器人46，单轴机器人46控制抬升支架50升降，使机器人夹爪4顺利抓取工件。
85.第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2还设有到位检测开关49以及球头拉手
48，通过到位检测开关49可以检测人工上料的工件是否到位。
86.此外，第二物料台装置5-2的旁侧还设有限位板47，用于放置经检测后不合格的膜电极和双极板。
87.除了上述燃料电池电堆自动堆叠装置，本发明还提供一种燃料电池电堆自动堆叠方法，其按照以下程序进行：
88.第一步，人工上料至第一物料台装置5-1和第二物料台装置5-2的膜电极垫板和双极板垫板，上料完毕之后，通过到位检测开关49检测物料是否到位，然后插入球头拉手48。
89.第二步，第一升降气缸24和第二升降气缸26同时作用使升降板34水平上升，通过工作位检测开关28检测第一升降气缸24和第二升降气缸26伸出位置是否合格；然后，顶升气缸25的活塞杆伸出，使顶升板22翘起，从而使托盘倾斜。
90.第三步，第二堆叠机器人2的机器人夹爪4上的激光测距传感器41把夹爪距离工件的信息传给单轴机器人46，单轴机器人46控制抬升支架50升降，从而使膜电极和双极板b保持等高，使机器人夹爪4顺利抓取工件；抓取过程中机器人夹爪4上的固定扫码器40对膜电极和双极板b进行扫码；
91.第四步，第二堆叠机器人2带动膜电极和双极板b到视觉检测装置6进行精度检测；
92.第五步，第二堆叠机器人2带动膜电极和双极板b至堆叠位按序进行堆叠；
93.第六步，第二堆叠机器人2带机器人夹爪4移至原位；
94.第七步，第一堆叠机器人1的机器人夹爪4上的激光测距传感器41把夹爪距离工件的信息传给单轴机器人46，单轴机器人46控制抬升支架50升降，从而使膜电极和双极板a保持等高，使机器人夹爪4顺利抓取工件；抓取过程中机器人夹爪4上的固定扫码器40对膜电极和双极板a进行扫码；
95.第八步，第一堆叠机器人1带动膜电极和双极板a到视觉检测装置6进行精度检测；
96.第九步，第一堆叠机器人1带动膜电极和双极板a至堆叠位按序进行堆叠；
97.第十步，第一堆叠机器人1带动机器人夹爪4移至原位；
98.第十一步，重复第三步到第十步183次；
99.第十二步，重复第三步到第六步1次；
100.第十三步，第一堆叠机器人1通过机器人夹爪4抓取膜电极，抓取过程中机器人夹爪4上的固定扫码器40对膜电极进行扫码；
101.第十四步，第一堆叠机器人1带动膜电极到视觉检测装置6进行精度检测；
102.第十五步，第一堆叠机器人1带动膜电极至堆叠位进行堆叠；
103.第十六步，第一堆叠机器人1带机器人夹爪4移至原位；
104.第十七步，转台旋转180
°
，第一升降气缸24、第二升降气缸26、顶升气缸25退回，使托盘处于水平状态，通过原位检测开关23检测气缸位置是否合格。
105.以上对本发明所提供的燃料电池电堆自动堆叠装置与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。