阅读说明：本技术 一种伺服旋转燃料电池电堆组装机 ([db:专利名称-en]) 是由 王诚 孙连国 雷一杰 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：一种伺服旋转燃料电池电堆组装机,压装部分包括压板,控制压板位置及压力的行程控制部件,压紧接触端口,通过行程控制部件控制压板定位及压装,同时设置有压装控制系统,该装堆机还包括控制压装物转动的旋转结构。压装部分分为上下两部分,压板连接有定位平台旋转系统,可实现0～360°范围内任意角度旋转与固定,压装部分采用三梁四柱结构,系统使用PLC可编程控制器,触摸屏界面,压力传感器和位移传感器等,适时监测压装力和位移,实现压装数据保存和可追溯,本设备提供在线检测气密性功能,分别对氢气,氧气和水三通道采用压缩空气检测,便于及时处理,压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作,手动和自动模式均可实现。([db:摘要-en])

一种伺服旋转燃料电池电堆组装机

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，涉及一种用于氢燃料电池电堆和固体聚合物电解槽组装测试的的机械设备，特别地，涉及一种具有平面旋转、竖直倾斜和双向运动功能的电控自动化伺服压机设备。

背景技术

随着现代化和智能化的不断推进，个性化定制生产和智能制造的需求不断增加，对产品的生产加工精度越来越高，对成形设备工作模式、工艺适应性的要求也不断提高。传统成型设备按照传动方式可分为液压机和机械压力机，但因效率低、工艺适应性差，在使用环境、精度要求和噪音环保等方面已经无法满足越来越高的压装工艺要求。

随着控制技术的不断发展，现有技术中出现了伺服压机，其以伺服电机作为动力源，再通过螺旋、曲柄连杆等机构把伺服电机旋转运动转换成机械直线运动。伺服压机因其柔性化和智能化优势，极大提高了压力机的通用性和生产效率，相比传统机械压机具有更高的灵活性和控制精度。近年来，交流伺服电机在成型设备中得到了大规模应用。

采用交流伺服电机的成型设备具有工艺适应性高、生产效率高的特点，十分有利于实现成型设备的柔性加工制造。现有技术中较先进的交流伺服电机是伺服螺旋精压机，其具有：1)实时加速度和位置控制能力；2)额定载荷输出能力；3)运动曲线可控；4)故障率低；5)生产效率高；6)成形王艺曲线可控等特点，十分适合于柔性加工制造。

近年来，以ARM、MIPS等为代表的嵌入式处理器，以其体积小、功耗低、主频高、实时性强、价格便宜，并支持多数操作系统的特点，逐渐在工控领域得到大量运用。

嵌入式伺服压机以ARM处理器作为控制核心，随着自动化控制水平的不断提高，要求设备能够实现精确定位。对于伺服压机的控制系统，目前主要采用工控机+运动控制卡和PLC+专用运动控制模块这两种方式，其优点是通用性强，但是体积相对较大、成本高。

为了更有效提高成型设备的工艺适应性及增加其适用范围，交流伺服螺旋精压机控制系统采用数据采集卡、运动控制卡和工控机，研发相应控制运动的自定义成形工艺数据库软件，例如采用.NET平台和VisualStudio2013C#环境；采用闭环方式实现螺旋精压机控制

系统的运动控制，结合PID、模糊PID和神经网络等控制策略实现高精度定位；建立通用运动控制自定义工艺模型，实现复杂的成形，从而充分发挥伺服螺旋精压的优势。测试应用结果表明，伺服螺旋精压机控制系统运行有效、稳定，具有较好的工艺适应性。

例如，东南大学提出基于DSP的伺服压力机控制系统，该系统充分利用DSP的实时性来解决压力机的实时控制问题；西马克梅尔公司生产的SPKA系列螺旋压力机能够实现网络远程控制，且具有较高的锻件精度。

随着全球范围内能源结构的调整，未来对能源的“环境友好性”及“碳减排”的要求日益提高，清洁、可再生能源的发展成为大势所趋。氢能是公认的清洁能源，被誉为21世纪最具有发展前景的二次能源，氢能在世界范围内获得广泛关注。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是氢能利用的重要方向，具有功率密度高、能量转化效率高、环境友好等优点，在动力交通、固定电站、航空航天、便携备用电源、军事、储能和热电联产等领域都有广泛应用；固体聚合物水电解(SPE)是一种制备高纯H2的重要手段，电解装置结构紧凑、操作简单、体积小、重量轻、维护量小，是重要的水电解技术手段，是氢能经济和氢能产业链发展的关键环节。

燃料电池电堆和固体聚合物电解槽等片层部件组装设备对于实现电堆、电解槽组装的自动化、连续化，提高生产效率具有非常重要的意义，电堆、电解槽的高水平组装对装置性能、寿命有重要影响。

燃料电池和固体聚合物电解领域专用伺服压机是一种集支撑、固定、压紧和测漏一体化设备，广泛用于氢燃料电池电堆和固体聚合物电解槽等片层结构装置的组装和密闭性能测试，在燃料电池和固体聚合物水电解技术领域有不可替代的作用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于氢燃料电池电堆和固体聚合物电解槽等片层结构组件组装、压装和气密性测试的自动化一体化机械设备。

一种伺服旋转燃料电池电堆组装机,压装部分包括压板，控制压板位置及压力的行程控制部件，压紧接触端口，通过行程控制部件控制压板定位及压装，同时设置有压装控制系统，该装堆机还包括控制压装物转动的旋转结构。

压装部分分为上下两部分，上压装部分包含上压板、上压紧接触端口、上压板行程控制部件，下压装部分包含下压板、下压紧接触端口；上压板安装在上压板行程控制部件末端，通过上行程支撑立柱滑动定位，上压紧接触端口安装在上压板下端；所述行程控制部件为气缸或伺服电动缸或电动机带动螺杆机构，上压板与行程控制部件连接处还设置有压力传感器，所述行程控制部件控制采用位移传感器，下压装部分，下压板通过下行程控制部件，下压紧接触端口安装在下压板上端；下压板可在压装方向的垂直面旋转调节电堆角度构成控制压装物转动的旋转结构。

下压板连接有定位平台旋转系统，可实现0～360°范围内任意角度旋转与固定。

压装部分采用三梁四柱结构，四根上行程支撑立柱分别连接上压板行程控制部件的安装梁、上压板、下压板安装梁，其中上压板为滑动连接。

所述控制压装物转动的旋转结构还包括竖直方向转动结构，压装部分整体可以通过铰链绕连接块的支撑位置前后转动，通过设置在压机底座上的倾斜拉力柱带动倾斜拉杆通过旋转端头进而带动压装部分倾斜，竖直方向旋转可实现竖直方向0～45°范围内倾斜。

测试部分结构为该伺服旋转燃料电池电堆组装机分别设置氢气腔气体进出口、水腔气体进出口、氧气腔气体进出口且分别安装对应气路及传感器。

测试部分具体结构为上压紧接触端口上设置上压紧氢气腔气体进出口、上压紧水腔气体进出口、上压紧氧气腔气体进出口；压装电堆上设置电堆氢气腔气体进出口、电堆水腔气体进出口、电堆氧气腔气体进出口；上压紧氢气腔气体进出口、上压紧水腔气体进出口、上压紧氧气腔气体进出口；与电堆氢气腔气体进出口、电堆水腔气体进出口、电堆氧气腔气体进出口分别对应配合；使用时对上压紧氢气腔气体进出口、上压紧水腔气体进出口、上压紧氧气腔气体进出口分别安装对应气路及传感器；可分别对氢气、氧气和水三通道采用压缩空气检测。

系统使用PLC可编程控制器，触摸屏界面，压力传感器和位移传感器等，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯，本设备提供在线检测气密性功能，分别对氢气，氧气和水三通道采用压缩空气检测，便于及时处理，压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作，手动和自动模式均可实现，配备定位工装及测试模块，可直接对接测试系统。

本发明的特点及有益效果为：

1)具有平面旋转、竖直倾斜和双向运动作用等特点极大方便安装，节约叠片对正时间；

2)通过定位平台360°内旋转，实现各个方向极板和膜电极等片层结构对齐，通过把手绞动结构控制定位平台升降，用于组装任意长度的电堆；

3)采用三梁四柱结构，通过精密直线轴承和伺服电动缸，精准控制压装力和位移，调节旋转角度，使用PLC可编程控制器、触摸屏界面、压力传感器和位移传感器，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯；

4)提供在线检测气密性功能，分别对氢气、氧气和水三通道采用压缩空气检测，便于及时处理，压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作，手动和自动模式均可实现；

6)具有操作一体化、自动化特点，缩短电堆和电解槽组装时间，增加堆结构和压力一致性，实现在线测试，减少人为操作误差，适用于批量化操作和生产。

附图说明

图1是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的整体结构图；

图2a是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的竖直方向倾斜偏转的竖直状态示意图；

图2b是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的竖直方向倾斜偏转的倾斜状态示意图；

图3是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的双向定向运动的示意图；

图4a是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的平面旋转的示意图；

图4b是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的平面旋转及固定结构的示意图；

图5是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的装堆状态的示意图。

图6是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的气密检测连接结构的示意图。

图7是本发明的一种伺服旋转燃料电池电堆组装机的压装电堆各进出口分布示意图。

其中，附图标记为：

上行程螺柱1；上行程气缸2；上行程支撑立柱3；上压板4；上压紧接触端口5；上压紧氢气腔气体进出口504，上压紧水腔气体进出口505，上压紧氧气腔气体进出口506；压装电堆6；电堆氢气腔气体进出口601，电堆水腔气体进出口602，电堆氧气腔气体进出口603；定位柱7；下压紧接触端口8；下压板9；下行程支撑立柱10；下行程气缸11；压机底座12；倾斜拉力柱13；固定螺丝14；压力传感器15；上行程压力柱16；防护挡板17；倾斜拉杆18；旋转端头19。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种伺服旋转燃料电池电堆组装机，适用于氢燃料电池电堆和固体聚合物电解槽等片层结构堆组装、压装和测漏的一体化机械设备，具有平面旋转、竖直倾斜和定向运动作用的伺服压装装置。伺服旋转燃料电池电堆组装机使用专门设计工装，使机体实现竖直方向倾角旋转，依靠重力自动定位双极板和膜电极等片层叠装组件，极大的方便安装，节约叠片对正时间；通过定位平台0-360°内旋转，可以在各个方向实现极板和膜电极等片层结构的对齐。通过把控制压装平台升降，用于组装任意长度的电堆。

该伺服旋转燃料电池电堆组装机采用三梁四柱结构，通过精密直线轴承和伺服电动缸，精密的控制压装力和位移，调节旋转角度。系统使用PLC可编程控制器，触摸屏界面，压力传感器和位移传感器，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯。本设备提供在线检测气密性功能，分别对氢气，氧气和水流场三通道采用压缩空气检测，便于及时处理。压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作，手动和自动模式均可实现。设备配备定位工装及测试模块，可直接对接测试系统。该设备具有触屏、数控，操作一体化、自动化的特点，缩短电堆、电解槽组装时间，增加堆结构、压力一致性，并实现在线测试，减少了操作的误差，适用于批量化操作和生产。

具体结构包括：

1)旋转部分结构：伺服旋转燃料电池电堆组装机旋转可实现堆定位平台的0～360°平面旋转，方便手工操作的实现，提高工作效率。旋转平台可实现把手控制的螺柱式升降，控制平台定位到任意位置，保证可以组装任意尺寸电堆。竖直方向旋转可实现竖直方向0～45°范围内倾斜，利用重力自动定位双极板和膜电极，方便安装，节约叠片对正时间。

2)压装部分结构：伺服旋转燃料电池电堆组装机采用三梁四柱结构，通过精密直线轴承和伺服电动缸，精密的控制压装力和位移，调节旋转角度。系统使用PLC可编程控制器，触摸屏界面，压力传感器和位移传感器等，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯。

3)测试部分结构：设备提供在线检测气密性功能，分别对氢气，氧气和水三通道采用压缩空气检测，便于及时处理。压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作，手动和自动模式均可实现。配备定位工装及测试模块，可直接对接测试系统。

所述的执行元件为伺服电缸，为三梁四柱结构，可实现精确电控控制。电机功率：1.8～3kW；额定转速：1500～3500rpm；额定速度：40～60mm/s；减速比：2:1～6:1；丝杆导程：5mm～25mm；额定力：20～40kN；最大行程：300～550mm；开口：700～900mm：工作宽度：位移500～700mm。

所述的伺服压机位置控制采用位移传感器，传感器精度：±0.03％～0.08％F.S，全量程范围为350～550mm。

所述的伺服压机压力控制采用精密测力传感器，传感器精度：±0.02％～0.05％F.S，全量程范围为3～8T。

所述的伺服压机控制系统，采用PLC可编程控制器，触屏操作，蜂鸣报警。

所述的伺服旋转燃料电池电堆组装机定位平台升降系统采用手控制螺轴支撑旋转结构和快速锁死螺栓固定，实现平台在可用空间任意位置的快速固定，通过控制丝杠行程，保证可以实现任意尺寸电堆的组装。

所述的伺服旋转燃料电池电堆组装机定位平台旋转系统，可实现0～360°范围内任意角度旋转与固定，保证手动操作的方便快捷和操作人员的安全。

所述的伺服旋转燃料电池电堆组装机竖直方向转动结构，可实现0～45°角度范围内的任意位置的倾斜、停止和固定，方便操作，依靠重力自动定位双极板和膜电极等片层叠装组件，极大的方便安装，节约叠片对正时间，保证产品一致性。伺服旋转电机功率：0.4～1kW。旋转减速机采用蜗轮蜗杆减速机，减速比15:1～30:1。

所述的伺服旋转燃料电池电堆组装机装堆气密性检测结构，在线气密性测试压力范围为5～500kPa，三通道可同时测量也可单独测试。充气时间、稳定时间、测试时间、排气时间均可设置。可实现保压、保位置两种模式切换。

下面结合附图1-7对本发明的具体实施例作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。具体核心结构如下：

如图1所示，本发明是伺服旋转燃料电池电堆组装机结构，包括：上行程螺柱1；上行程气缸2；上行程支撑立柱3；上压板4；上压紧接触端口5；压装电堆6；定位柱7；下压紧接触端口8；下压板9；下行程支撑立柱10；下行程气缸11；压机底座12；倾斜拉力柱13；固定螺丝14；压力传感器15；上行程压力柱16；防护挡板17。

压装部分结构如下：上压装部分：上压板4由上行程气缸2驱动完成上下运动，上压板4设置有在上行程支撑立柱3上套设滑动的滑套，上压板4下方连接有上压紧接触端口5，上压紧接触端口5可绕上压板4中心位置转动，上行程支撑立柱3为上压板4上下运动的定位导轨，上压板4与上行程气缸2之间通过上行程压力柱16连接，而上行程压力柱16与上压板4连接处还设置有压力传感器15。

下压装部分：下压板9由下行程气缸11驱动完成上下运动，下压板9设置有在下行程支撑立柱10下套设滑动的滑套，下压板9下方连接有下压紧接触端口8，下压紧接触端8可绕下压板9中心位置转动，与上压紧接触端口5绕上压板4中心位置转动配合，实现堆定位平台的0～360°平面旋转，方便手工操作的实现，提高工作效率。下行程支撑立柱10为下压板9上下运动的定位导轨。

压装部分伺服旋转燃料电池电堆组装机采用三梁四柱结构，通过精密直线轴承和伺服电动缸，精密的控制压装力和位移，调节旋转角度。系统使用PLC可编程控制器，触摸屏界面，压力传感器和位移传感器等，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯。

上行程支撑立柱3与下行程支撑立柱10之间由连接块连接，上行程支撑立柱3与下行程支撑立柱10也可以设置为一体中部设置有连接块，连接块通过可旋转铰链连接压机底座12上设置的支撑立柱上；压装部分整体可以通过铰链绕连接块的支撑位置前后转动，通过设置在压机底座20上的倾斜拉力柱13带动倾斜拉杆18通过旋转端头19进而带动压装部分倾斜，竖直方向旋转可实现竖直方向0～45°范围内倾斜，利用重力自动定位双极板和膜电极，方便安装，节约叠片对正时间。

伺服旋转燃料电池电堆组装机的压装过程：将燃料电池电堆极板和膜电极叠放在定位架上，通过定位螺丝固定。通过伺服旋转压机侧向倾斜，保证各侧面极板和膜电极叠层的对正与整齐。恢复竖直放置，并调节定向压杆向下运动实现电堆与压杆接触，采用恒压模式，施加到所需要压力，将电堆压紧。更换恒位置模式，保持压杆固定，用扎带扎紧电堆并用螺栓固定。

伺服旋转燃料电池电堆组装机旋转可实现堆定位平台的平面0～360°旋转，方便手工操作的实现，提高工作效率。旋转平台可实现手动控制的螺柱支撑任意角度的选择调节，并通过控制压力平台，定位到任意位置，保证可以组装任意尺寸电堆。竖直方向旋转可实现竖直方向0～45°范围内倾斜，利用重力自动定位双极板和膜电极，方便安装，节约叠片对正时间。

上述气缸元件可以通过伺服电动缸、电动机带动螺杆机构替换，通过精密直线轴承和伺服电动缸，精密的控制压装力和位移，实现上下运动。精密直线轴承，执行元件和旋转执行结构为伺服电动缸，精密的控制压装力和位移，调节旋转角度。

系统使用PLC可编程控制器，触摸屏界面，压力传感器和位移传感器等，适时监测压装力和位移，实现压装数据保存和可追溯。

本设备提供在线检测气密性功能，分别对氢气，氧气和水三通道采用压缩空气检测，便于及时处理。压装、旋转、气密测试功能模块可独立操作，手动和自动模式均可实现。配备定位工装及测试模块，可直接对接测试系统。

测试部分结构：设备提供在线检测气密性功能，分别对氢气，氧气和水三通道采用压缩空气检测，上压紧接触端口5上设置上压紧氢气腔气体进出口504、上压紧水腔气体进出口505、上压紧氧气腔气体进出口506；压装电堆6上设置电堆氢气腔气体进出口601、电堆水腔气体进出口602、电堆氧气腔气体进出口603；上压紧氢气腔气体进出口504、上压紧水腔气体进出口505、上压紧氧气腔气体进出口506；与电堆氢气腔气体进出口601、电堆水腔气体进出口602、电堆氧气腔气体进出口603分别对应配合；使用时对上压紧氢气腔气体进出口504、上压紧水腔气体进出口505、上压紧氧气腔气体进出口506分别安装对应气路及传感器；可分别对氢气、氧气和水三通道采用压缩空气检测。

最后需要指出的是：尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围。