Automatska linija za sklapanje baterija: odakle zapravo dolazi ušteda rada

Autor: Dany Huang, Ph.D.

Izvršni direktor i voditelj istraživanja i razvoja, TOB New Energy

Povežite se sa dr. Huangom na LinkedInu

Izvršni sažetak i ključni detalji

Troškovi rada u montaži baterija nisu ravnomjerno raspoređeni-koncentrisani su na nekoliko stanica koje se ponavljaju: slaganje elektroda, zavarivanje jezičaka, kućište i testiranje. Automatizacija zamjenjuje te specifične ljudske pokrete hvataljkama na servo pogon i prijenosom vođenim vidom, smanjujući direktan rad za 60–80 % uz povećanje prinosa pri prvom prolazu, jer se robot ne zamara u osam sati. Otplata je funkcija proizvodnje po liniji i lokalne stope opterećenog rada, a ne samo cijene mašine.

• A poluautomatska cilindrična linijaobično je potrebno 8-12 operatera; potpuno automatizirani ekvivalent radi sa 2-3 za isti izlaz.
• Direktni trošak rada po ćeliji pada sa otprilike 0,10–0,20 USD na 0,02–0,05 USD pri pilot zapremini od 1–5 miliona ćelija godišnje.
• Prijenos usklađen s vremenom ciklusa, a ne neobrađena brzina robota, postavlja linijski izlaz-stanica kojoj je potrebno 4 s po ćeliji zatvara liniju od 15 ćelija/min bez obzira na brzinu kretanja robota.
• Automatizacija ROI prelazi 24 mjeseca samo iznad praga obima; ispod njega, poluautomatski ostaje racionalna kapitalna odluka.

Cilindrična linija za sklapanje ćelija sa šest operatera može proizvesti možda 12-15 ćelija u minuti u najboljem satu. U sedam sati, ruke operatera za slaganje su spore. Odstupanja u pozicioniranju zavarivanja. Test stanica pravi rezervnu kopiju. Stvarna propusnost pada blizu 60% natpisne pločice, a cijena rada po ćeliji raste sa svakim odbijanjem.

Automatizacija montaže ne znači da linija bude brža na papiru. Radi se o tome da linija zadrži svoju brzinu na pločici s natpisom u cijeloj smjeni, s manje ruku u petlji. Uštede dolaze iz specifičnih, mjerljivih promjena: robotsko hvatanje zamjenjuje postavljanje ljudi, automatski prijenos zamjenjuje hodanje i čekanje, a inline inspekcija zamjenjuje otkrivanje na kraju linije.

Gdje se rad skriva u liniji za sklapanje baterija

Hodajte bilo kojom ručnom ili poluautomatskom montažnom linijom i troškovi rada se koncentrišu na istih pet mjesta:

• Slaganje elektroda / opterećenje namotaja.Svakoj ćeliji su potrebne elektrode, separatori i jezičci poravnati unutar djelića milimetra. Ljudski operater postavlja svaku komponentu ručno, a vrijeme postavljanja plus ponovno poravnanje troši 30-40% ukupnog rada na montaži.
• Pozicioniranje zavarivanja jezičaka.Ćelija mora biti orijentirana tako da jezičak padne na tačku zavarivanja. Ručno pozicioniranje je sporo i varijabilno; neusklađeni zavareni spojevi se pokazuju kao kvarovi u otvorenom krugu na testu.
• Kućište i zaptivanje.Umetanje žele rolne ili gomile elektroda u konzervu, zavarivanje poklopca i presovanje ili zaptivanje zahtijeva dosljednu snagu i čistoću koju ruke ne mogu garantirati tijekom smjene.
• Punjenje i rukovanje elektrolitom.Punjenje je automatizirano čak iu poluautomatskim linijama, ali je utovar i istovar punjenja ručni rad.
• Testiranje i sortiranje.Svaka ćelija mora biti formirana-ciklično, ocijenjena i vizualno pregledana. Ručno rukovanje između testnih stalaka je i naporno i predstavlja rizik od kontaminacije.

Obrazac: koraci procesa koji dodaju vrijednost (zavarivanje, punjenje) su već mašinski vođeni, aliradite oko njih-utovar, prijenos, orijentacija, istovar-je ljudski. To zaobilaženje je cilj automatizacije.

Mehanička jezgra: hvataljke koje se drže bez oštećenja

Razlog zašto je sklop baterija godinama odolijevao automatizaciji je radni komad. Žele rola je mekana, lako se deformiše i ima obloženu površinu koja se ljušti ako se pogrešno uhvati. Namotana cilindrična rolna mora biti podignuta za jezgro ili poduprta po cijeloj dužini, nikada ne stisnuti na jednom mjestu.

Moderni roboti za sklapanje to rješavaju krajnjim efektorima specifičnim za aplikaciju:

• Paralelne hvataljke na servo pogon sa kontrolom sileuhvatite tvrde elemente-tijela limenki, sklopove kapica, vodove jezičaka-sa programabilnom silom zatvaranja koja nikada ne prelazi granicu zgnječenja dijela.
• Vakumske hvataljke sa mekim jastučićimapodignite elektrode i separatore površinskim usisom, raspoređujući opterećenje preko obložene površine tako da se aktivni materijal ne raspršuje. Materijali jastučića odabrani su tako da ne ispuštaju čestice u čisto okruženje.
• Stezne glave za jezgro za cilindrične žele rolneproširiti unutar šupljeg trna, podižući rolnu bez dodirivanja vanjskog vjetra.
• Izbor i mjesto vođeni vizijomlocira svaki dio prije hvatanja, tolerirajući rasipanje položaja koje transporter i uzvodne stanice neizbježno uvode.

Inženjerska poenta je da je robot dobar onoliko koliko je dobar njegov krajnji efektor i njegova vizija. Automatizovana linija izgrađena sa generičkim hvataljkama će oštetiti ćelije i raditi sa malim radnim vremenom. Dizajn linije počinje fizikom rukovanja dijelovima, a ne modelom robota.

Automatski protok: druga polovina jednačine

Robotski zahvat uklanja ruke sa pojedinačnih stanica. Automatski prijenos uklanja napor između stanica-i to je mjesto gdje većina "automatskih" linija tiho otkazuje.

Sistem transfera mora bitiUsklađeno vrijeme ciklusa. Ako stanici za slaganje treba 8 s po ćeliji, a stanici za zavarivanje jezičaka 5 s, linija radi maksimalnom brzinom od 7,5 ćelija/min osim ako baferi ne apsorbuju razliku. Dominiraju tri arhitekture prijenosa:

Za cilindričnu pilot liniju, indeksator hodajućeg snopa je radni konj: ćelije se kreću po fiksnom koraku, svaka stanica izvodi jednu operaciju, a cijela linija pulsira unisono. Za ćelije vrećice dominiraju nezavisne palete jer procesni koraci-slaganje, zavarivanje jezičaka, brtvljenje, otplinjavanje-teku u veoma različitim vremenskim intervalima i potrebno je razdvajanje.

Puferiranje je detalj koji odvaja teorijsku liniju od tekuće. Mali međuspremnik između brze i spore stanice apsorbira prirodnu varijaciju u vremenu ciklusa i sprječava zaustavljanje linije kad god bilo koja stanica štuca. Linije bez bafera zaustavljaju se pri prvoj manjoj grešci; linije sa tamponima prolaze kroz njih.

A protiv B: Poluautomatsko naspram potpuno automatskog sklapanja

Iskreno poređenje nije mašina-protiv-mašine. Radi se o dva operativna modela.

Poluautomatski model.Pojedinačne mašine-namotač, zavarivač jezičaka, mašina za presovanje-s kojom upravlja posvećeni radnik, sa ćelijama koje se prenose između stanica ručno ili na jednostavnim transporterima. Kapitalni trošak je nizak. Izlaz se linearno mjeri s brojem zaposlenih. Kvalitet zavisi od doslednosti operatera. Promjena između formata je brza jer se ljudi trenutno prilagođavaju.

Potpuno automatski model.Jedna integrirana linija sa robotskim rukovanjem, automatskim prijenosom i inline inspekcijom između svakog koraka procesa. Kapitalni trošak je visok-obično 3–6× poluautomatski ekvivalent. Izlaz je podešen balansiranim vremenom ciklusa linije, a ne brojem zaposlenih. Kvalitet je dosljedan jer svaka ćelija prati isti mehanički put. Promjena zahtijeva promjene receptura i pribora kojima upravlja softver.

Razlika u prinosu važnija je od jaza u radu. Poboljšanje prinosa od 5% na liniji koja proizvodi 2 miliona ćelija godišnje je 100.000 manje odbačenih-vrijednijih troškova materijala i prerade nego cjelokupni platni spisak operatera koji zamjenjuje.

ROI model: trošak rada po ćeliji i prelomni volumen

metrika odluke je jednostavna: cijena rada po ćeliji=(operatori × učitani godišnji trošak rada) ÷ godišnja proizvodnja ćelija.

Opterećeni troškovi rada-plate plus beneficije, premije za smjenu i obuka-se široko kreću po regijama, od otprilike 15.000 USD godišnje u dijelovima jugoistočne Azije do 60 USD,000+ godišnje u zapadnoj Evropi i Sjevernoj Americi. To širenje potpuno mijenja odgovor automatizacije.

Radni model, 2 miliona ćelija godišnje:

• Poluautomatski: 10 operatera × 40 USD,000=400.000 USD/god → 0,20 USD po ćeliji.
• Potpuno automatski: 3 operatera × 40 USD,000=120.000 USD/god → 0,06 USD po ćeliji.
• Godišnja ušteda rada: 280.000 USD.
• Uz liniju od 1,2 miliona USD, otplata samo za rad ≈ 4,3 godine-prije uštede prinosa i otpada.

Dodajte poboljšanje prinosa (recimo 4% od 2 miliona ćelija=80,000 ćelija ušteđenih na 2,50 USD materijala koštaju svaki=USD 200,000/god), i vraćanje pada na otprilike 2,5 godine. Zbog toga su modeli povrata ulaganja koji računaju samo rad sistematski pesimistični, a modeli koji računaju samo kapitalne investicije su pogrešni u drugom smjeru.

Referentna tabela prelomne vrijednosti (godine povrata, potpuno automatska linija naspram poluautomatske osnovne linije)

Tabela pretpostavlja srednje troškove linije, tri uštede operatera i realno poboljšanje prinosa. Sa 500.000 ćelija godišnje sa jeftinom radnom snagom, potpuna automatizacija se ne isplati-iskrena inženjerska preporuka je poluautomatska linija. Sa 2 miliona ćelija godišnje sa zapadnim stopama rada, potpuno automatizovana linija je odluka sa nižom cenom čak i pre računanja efekta prinosa.

Cilindrični vs. torbica: Profili automatizacije se razlikuju

Dva dominantna formata ne automatizuju se na isti način.

Cilindrične ćelijesu lakši problem automatizacije. Limenka daje kruto tijelo koje se može uhvatiti na svakom koraku. Namotavanje proizvodi cilindrični valjak koji stezna glava može nedvosmisleno podići. Stanice-namotavanje, zavarivanje jezičaka, umetanje limenki, zavarivanje poklopca, presovanje-su diskretne i mogu se indeksirati. Zbog toga su prve potpuno automatizirane montažne linije u industriji bile cilindrične. Apotpuno automatizirana pilotska linija za montažu cilindričnih baterijasa robotskim rukovanjem ćelijama i inline testiranjem indeksira ćelije kroz svaku stanicu na fiksnom nivou, a krutost formata održava niske stope grešaka u rukovanju.

Pouch ćelijesu teže. Snop elektroda je fleksibilan, folija vrećice je osjetljiva, a proces uključuje korake-degasiranja, ponovnog zaptivanja, formiranja jezičaka-koji djeluju na mekom, dimenzionalno nestabilnom dijelu. Automatizacija montaže vrećice oslanja se na nezavisne palete koje nose svaku ćeliju kroz liniju bez ponovnog hvatanja, i na nježne vakuumske krajnje efektore za naslaga. Inženjering je zahtjevniji i cijena linije je veća po ćeliji proizvodnje, ali je i radni intenzitet ručnog sastavljanja vrećice također veći, što uravnotežuje jednačinu.

Zajednički princip u oba formata: svaki put kada ljudska ruka dodirne ćeliju, taj dodir je trošak vremena postavljanja, rizik od kontaminacije i mogućnost defekta. Svaki dodir uklonjen hvataljkom i transporterom uklanjaju se sva tri odjednom.

Šta automatizacija ne popravlja

Automatizacija nije zamjena za sposobnost procesa. Linija koja hrani robota sa slabo namotanim rolnama, neusklađenim jezičcima ili nestabilnim punjenjem elektrolita jednostavno će proizvesti automatizirane odbacivanje brže nego što ručna linija proizvodi ručne. Uzvodni procesi-kvalitet namotavanja, pozicioniranje kartice, tačnost punjenja{3}}moraju već biti pod kontrolom da bi se investicija u automatizaciju isplatila.

Automatizacija također ne znači bez nadzora. Potpuno automatskoj liniji i dalje su potrebni operateri za dopunu materijala, praćenje procesa i otklanjanje kvarova. Realno osoblje je 2-3 po smjeni, a ne nula. Vreme rada, a ne broj zaposlenih, je metrika koja pokreće izlaz: linija koja radi 85% vremena sa tri operatera nadmašuje liniju koja radi 60% vremena bez ikoga.

Mijenja se i skup vještina održavanja. Za ručnu liniju potrebni su monteri. Automatizovanoj liniji su potrebni tehničari za automatizaciju koji razumeju servo, sisteme vizije i PLC logiku. Ta promjena vještina je stvarni trošak koji pripada modelu, obično nadoknađen smanjenim brojem operatera.

Često postavljana pitanja: Ekonomika automatiziranog sklopa baterija

Koliko operatera je potrebno za potpuno automatsku liniju za sklapanje baterija?
Dva do tri po smjeni, u odnosu na 8-12 za uporedivu poluautomatsku liniju. Preostalo osoblje se bavi dopunom materijala, praćenjem procesa i otklanjanjem kvarova-automatizacija ne znači nulti broj zaposlenih.

Koji je realan period povrata za automatsku montažnu liniju?
Sa 2 miliona ćelija godišnje sa srednjim troškovima rada, otprilike 2,5–3 godine računajući i uštedu radne snage i poboljšanje prinosa. Ispod 500.000 ćelija godišnje, poluautomatsko sastavljanje je obično najjeftinija odluka.

Što je najteže automatizirati u sklapanju baterija?
Rukovanje snopom elektroda ili žele rolnom bez oštećenja. Mekani, obloženi dijelovi ne mogu se uhvatiti kao metalni dijelovi, tako da dizajn krajnjeg efektora-stezne glave za cilindrične valjke, vakuumski jastučići za snopove elektroda-određuje pouzdanost linije.

Da li automatizacija poboljšava kvalitet ili samo smanjuje radnu snagu?
Oba. Robotsko postavljanje je ponovljivo do djelića milimetra u cijeloj smjeni, dok ručno postavljanje pomjera zamor operatera. Tipični prinos prvog prolaza kreće se od visokih 80-ih do sredine 90-ih na poluautomatskom do 96-99% na kontrolisanoj automatskoj liniji.

Spremni za modeliranje vlastite linije?
Odluka o cijeni rada je aritmetička; odluka o prinosu je inženjerska. TOB New Energy, kao proizvođač direktnog izvora po principu ključ u ruke, isporučuje potpuno automatizirane linije za montažu cilindričnih i vrećastih ćelija dizajnirane za vaš format ćelije, vrijeme ciklusa i budžet defekta-a ne oko generičkog kataloga robota. Pošaljite crtež ćelije, godišnju zapreminu i stopu vašeg lokalnog opterećenja da biste dobili raspored linija od stanice do stanice, model ROI i direktnu fabričku ponudu od Xiamena.

Tehnička referenca koju je sastavila grupa za procesno inženjerstvo TOB New Energy iz instalacija na montažnoj liniji kroz programe cilindričnih i ćelija sa vrećicama širom svijeta. Za ROI specifičan za liniju i raščlambu stanice, povežite se sa dr. Dany Huangom na LinkedInu ili pošaljite svoje proizvodne parametre tehničkom odjelu Xiamena.