Автоматическая линия для изготовления топливных элементов

(71) Специальное конструкторское бюро Научного приборостроения Уральского отделения АН СССР и Уральский политехнический институтим.С.М.Кирова(56) Авторское свидетельство СССРВ 311319, кл. Н О 1 М 6/00, 1971,Авторское свидетельство СССРВ 407411, клН 01 М 6/00, 1974,(54) АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ. ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ сто- атиГОСУДАРСТНЕННЬ 1 Й КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О 1 НРЦТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И К АВТОРСКОМУ СВИДЕ. (5) Изобретение относится к электро технике и касается производства топливных элементов. Цель изобретения - повышение производительности. Устр-во содержит узлы изготовления электродов с подъемными столами; узел сборки, узел транспортировки, вычислительный блок, роботы с захватами, манипуляторы, блоки нанесения электродной массы, блоки для вжигания электродов, блок нанесения электро- проводящего слоя, блок сушки, блок нанесения клея, блок сборки технологических кассет, блок диффузионной сварки. Робот подает стопу керамичес ких поддонов .5 с первичными ячейка" . ми топливного элемента на подъемный стол 1. При этом манипулятор 10 перемещается по направляющим 18 в рону подъемного стола 1, а пневм1 5 6945 Составитель В.ГундаровРедактор И,Шулла Техред М,Ходанич Корректор С.Черни аж 36 Подписное водственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101 П аказ 1849 НИИПИ Госуд ственного комитета по и 113035, Москва, Ж,бретениям и,открытиям при ГКНТ ССаушская наб д. 4/51576945 10 ческий захват 11 опускается, захватывает первичные ячейки и переносит Их дпя выполнения технопогических Операций, После этого керамический. поддон 5 переносится от первого подьмого стола 1 к второму подъемному Изобретение относится к электротехнической промышленности и может ыть использовано при изготовлении ысокотемпературных топливных элемен ов с твердым электролитом.Целью изобретения является повышение производительности.На Фиг.1-4 изображена предлагаемая автоматическая линия, общий вид; 1 а Фиг,5 - батарея топливных элементов, разрез; на Фиг.б - разрез А-А а фиг. 1 на Фиг.7 - разрез Б-Б на на фиг. 1, на фиг.8, - разрез В-В на фиг.2; на фиг.9 - разрез Г-Г на фиг.2; 25 а фиг.10 - разрез Д - Д на фиг.3; на фг.1 -РазРез Е-Е на фиг.3; на Фиг.12-. амид Ж на Фиг,1.Предлагаемая автоматическая линия содержит узел изготовления первого элекрода,узел сборки модулей и узел изготовленя второго электрода.Узел изготовл ния первого электроДа содержит перльй подъемный стол 1 и расположенный за ним по направлению 35 техологического процесса второй одъемный стол 2, на которых посредтвом винтовых подъемников 3 и 4 обес-. ечивается подъем или опускание стопы керамических поддонов 5 с первичными ячейками 6 топливных элементов. Перемещение стопы керамических поддонов 5 с первого подъемного стола 1 на второй подъемный стол 2 осуществляется при помощи первого манипулятора 7 с пневматическим захватом 8, который перемещается по направляющим 9, Второй манипулятор 10 имеет пневматический захват 11, при помощи которого перемещают первичные ячейки 6 с кера 50 мического поддона 5 на верхнюю плиту 12 ванны 13, в которой находится электродная паста 14 для внутреннего электрода 15. Электродная паста 14 приготавливается в подъемном смесителе 16, который при помощи винтового привода 17 перемещается в вертикальной плоскости, подавая электродную массу 14 во внутреннюю полость перстолу 2 для выполнения последующихтехнологических операций. Перемещение столов 1 и 2 осуществляется спомощью винтовых подъемников 3 и 4.12 ил. вичной ячейки 6. Перемещение второго манипулятора 10 осуществляется по направляющим 18. Подъем и опускание захвата 11 второго манипулятора производится пневмоцилиндром 19. Пневмати" ческие захваты 8 и 11 имеют эластичные, раздуваемые. оболочки 20, которыми осуществляется схватывание первичных ячеек 6. Захват 11 обеспечивает, кроме перемещения первичных ячеек 6, также прижим их к эластичному покрытию 21 плиты 12 для герметизации внутренного объема первичной ячейки 6 при заполнении его электродной пастой 14.Первый робот 22 размещен на монорельсе 23, проложенном над всей линией от ее начала до конца. Транспортер 24 подает стопу поддонов к блокам (печам) 25 и 26 для вжигания внутреннего электрода. Первый робот 22 устанавливает стопу поддонов с первичными ячейками 6 на третий подъемный стол 27, снимает освободившиеся от первичных ячеек 6 поддоны с четвертого подъемного стола 28 и переносит их в качало ликии для последующей загрузки новой партией первичных ячеек 6,Узел сборки модулей содержит третий подъемный стол 27, на который первым роботом 22 устанавливают стопу поддонов с первичными ячейками после вжигания внутреннего электрода 15 в блоках 25 и 26, четвертый подь-емный стол 28, на который поочередно нерекладываэтся с третьего подъемного стола 27 при помощи третьего манип- лятора 29 поддоны 5. Третий манипулятор 29 имеет пневматический захват 30 и перемещается по направляющим 31, обслуживая третий и четвертый подьсмные столы.Второй робот 32 содержит пневматический захват 33, аналогичный захвату 11 второго манипулятора 10. При помощи второго робота 32 производится перемещение первичных ячеек 6 для нанесения электропроводного слоя 34блоком зэ, сушки электропроводного слоя блоком 36 сушки, нанесения клея 37 блоком 38 нанесения клея.При помощи второго робота 32 также устанавливают концевые элементы 39 модулей 40. Модуль 40 представляет собой совокупность концевых элементов 39 и первичных ячеек 6. Концевые элементы 39 для сборки модуля 40 находится в кассете 41, установленной на пятом подъемном столе 42За пятым подъемным столом 42 узла сборки модулей 40 установлен по ходу процесса шестой подъемный стол 43, содержащий, как и стол 42, механизм 44 подъема и опускания. На шестом подъемном столе 43 размещается технологическая кассета 45, устанавливаемая с помощью третьего робота 46.За шестым подъемным столом 43 установлен транспортер 47, доставляющий технологические кассеты 45 к блокам 48-55 диффузионной сварки. Каждый блок диффузионной сварки имеет собственный автоматический загрузочный узелДалее расположены первый 56, второй 57 и третий 58 столы, причем первый стол 56 служит для укладывания крышки 59, снятой с технологической кассеты 45, второй стол 57 предназначен для размещения технологической кассеты 45 после извлечения ее из любого блока диффузионной сварки, а третий стол 58 - для укладки модулей 40, извлеченных при помощи четвертого манипулятора 60 ич технологической кассеты 45, Четвертый манипулятор 60 находится между первым и вторым столами. Три стола 56-58 и манипулятор 60 составляют стенд разборки технологических кассет 61.Далее по ходу технологической цепочки установлен узел изготовления второго электрода, содержащий блок 62 нанесения изоляционных слоев 63. Блок 62 обслуживается четвертым роботом 64, Робот 64 обслуживает блок 65 сушки, блок 66 нанесения электродной пасты на наружную поверхность 67 батареи топливных элементов и седьмой подъемный стол 68, на котором установлена стопа керамических поддонов 69. Пятый манипулятор 70 переставляет поддоны с седьмого подъемного стола 68 на восьмой подъемный стол 71.Пятый робот 72 обеспечивает перестановку поддонов 69 на транспортер 73, который подает поддоны к блокам5101530 35 40 4550 55 чатели различных типов.Приводы исполнительных механизмов могут быть выполнены на обычных 74 - 77 где производится вжигание наружного электрода. Последним установлен стол 78 выдачи элементов.Первый робот 22 имеет интервал перемещения от начала линии до четвертого подъемного стола 28 включительно, второй робот 32 - интервал перемещения включительноот четвертого подъемного стола 28 до шестого подьемного стола 43, третий робот 46 - интервал перемещения включительно от шестого подьемного стола 43 до блока 62 нанесения изоляционных слоев, четвертый робот 64 - интервал перемещения включительно от третьего стола 58 блока разборки кассет 61 до седьмого подъемного стола 68, пятый робот 72 - интервал перемещения включительно от восьмого подъемного стола 71 до стола 78 выдачи элементов.В предлагаемой автоматической линии предусмотрено синхронизированное взаимодействие всех исполнительных механизмом с использованием датчиков, подающих сигналы на соответствующие входы вычислительного блока, выходы которого соединены с исполнительными механизмами. Исполнительные механизмы и связанные с ними датчики расположены в каждом узле.Первый робот 22 содержит механизм 79 подъема и опускания захвата, механизм 80 поворота захвата, а также механизм 81 перемещения робота. Соответственно этим исполнительным механизмам установлены датчики 82 и 83 крайних положений механизма 79 подьема и опускания захвата, датчик 84 положения вилочного захвата механизма поворота и датчики 85 и 86 перемещения робота 22, Датчики положения 82-86 конструктивно размещены в точках, определяющих заданные положения остановок перемещающихся частей робота 22 и остановок самого робота.Например, датчик 85 фиксирует положение робота 22 перед первым подъемным столом 1, а датчик 86 определяет положение робота 22 над четвертым столом 28, Аналогичным образом оснащены датчиками все остальные узлы с учетом их конструктивных особенностей и необходимых перемещений.В качестве датчиков положения могут быть использованы конечные выклю 1576945и (или) щаговых электродвигателях.В качестве вычислительного блока может быть применена микроЭВМ марки "Электроника" с соответствующим программным обеспечением, позволяю 5 щим реализовать последовательность действий механизмов и узлов предлагаемой линии.Автоматическая линия работает сле О дующим образом.Первый робот 22 подает стопу кераМических поддонов 5, каждый из которых загружен первичными ячейками 6 топливного элемента, на подъемный стол 1, Второй манипулятор 10 из исходного положения по направляющим 8 перемещается в сторону подъемного стола 1 и останавливается таким. обра" зом, что пневматический захват 11 размещается над керамическим поддоном 5 в позиции для захвата первичных ячеек б топливных элементов. В пневмоцилиндр 19 подается сжатый воздух, Захват 11 опускается до упора торцо ными выступами в торцы первичных ячеек б. Затем подается воздух в полости эластичных оболочек 20, которые, раздуваясь, захватывают первичные ячейки 6, 30Ходом штока пневмоцилиндра 19 вверх первичные ячейкиб извлекаются из керамического поддона 5, Затем ходом второго манипулятора 10 первичные ячейки б переносятся в положение над ванной 13, в которую подается электродная паста 14 для внутреннего электрода, и прижимаются к верхней плите 12 ванны 13, Верхняя плита 12 имеет окна для затекания электродной пасты 14 во внутреннюю полость первичной ячейки 6, Нижний торец первичной ячейки 6 при помощи захвата 11 манипулятора 10 с целью герметизации прижимается к эластичному покрытию 21 верхней плиты 12. Затем по команде от вычислительного блока 87 включается привод 17 подъема смесителя 16 и электродная паста 14, поднимаясь в ванне, поступает во внутренние полости первичных ячеек 6 топливных элементов, покрывая стенки их внутренних поверхностей. После определенной выдержки времени вычислительный блок 87 подает команду на опускание смесителя 16 и электродная паста 14 вытекает их внутренних полостей первичных ячеек б, Пневмоцилиндр 19 второго манипулятора 10 поднимает пневматический захват 11 вместе с первичными ячейками 6, внутренняя поверхность которых покрыта электродноймассой 14. Затем включается приводмеханизма перемещения второго манипулятора 10, первичные ячейки б переносятся и устанавливаются на своипрежние места на керамический поддон 5.Первый манипулятор 7 посредствомпневматического захвата 8 захватываеткерамический поддон 5. Первый подъемный стол 1 опускается .на величину,необходимую для освобождения поддона.от Фиксации в стопе, и первый манипулятор 7, перемещаясь по направляю"щим 9, переносит керамический поддон5 первого подъемного стола 1 к второму подъемному столу 2. Стол винтового подъемника 4 второго подъемногостола 2, поднимаясь, снимает поддон5 с захвата 8, затем губки захватаразводятся и первый манипулятор 7возвращается в первоначальное положение (к первому подъемному столу).После этого цикл повторяется. Такая работа продолжается до тех пор,пока керамические поддоны с первогоподъемного стола 1 не переместятсяна второй подъемный стол 2, причем вподдонах на столе 2 находятся первичные ячейки б топливных элементов снанесенным электродом 15.Первый робот 22 снимает стопу керамических поддонов с второго подъемного стола 2 и помещает на транспортер 24, который в зависимости отпрограммы передает эту стопу поддоновк одному из блоков 25 или 26 вжигания внутреннего электрода. После этого первый робот 22 возвращаетсяв исходное положение за новой стопойкерамических поддонов и устанавливаетее на первый подъемный стол 1,Из блока вжигания внутреннего электрода стопа керамических поддоновтранспортером 24 подается в зону действия первого робота 22, снимаетсяим и устанавливается на третий подьемный стол 27, С третьего подъемногостола 27 посредством третьего манипулятора 29, который является точнойкопией первого манипулятора 7, керамический поддон с первичными ячейками переставляется на четвертый подьемный стол 28.Модуль 40 топливного элемента собирается из двух концевых элементов157 39 и нескольких первичных ячеек б,имеющих трубчатую форму. На торцыпервичных ячеек 6 и нижний торец верхнего концевого элемента 39 наносятсяэлектропроводный слой 34 и слой клея37. Элементы 6 и 39 соединяются диффузионной сваркойВ соответствии с конструкцией топливного модуля сборка проводитсястрого в определенной последовательности. Сборка топливного модуля 40начинается с установки в технологическую кассету 45 нижнего концевогоэлемента 39. Для этого второй робот32 годходит к пятому подъемному столу 42, на котором установлена кассета 4 1, в ячейках которой предварительно уложены столбиками концевыеэлементы 39, представляющие собойкруглые металлические шайбы нержавеющей стали с резьбовым отверстиемпо середине. Захват второго робота32 опускается к столу 42. Пятый подьемцый стол 42, платформа которогоснабженастержнями, количество которых соответствует количеству столбиков концевых элементов 39 в кассете41, поднимается, причем стержни заходят в отверстия в днище кассеты 41,поднимают столбики концевых элементов39 и заводят расположенные сверхустолбика концевые элементы 39 в пневматический захват 33 второго робота32. Конструкция захвата второго робота 32 аналогична конструкции захвата 11 второго манипулятора 10.Затем робот 32 с захваченными элементами 39 перемещается на соседнююпозицию над шестым подъемным столом43 с технологической кассетой 45, вкоторой осуществляется сборка модуля40 топливного элемента.,Иестой подьемный стол 43 имеет штыри, которыевходят в отверстия.До начала работы автоматическойлинии, а также после смены заполненной собранными модулями кассеты 41шестой подъемный стол 43 находится вкрайнем верхнем положении, Для того,чтобы собрать модуль 40 необходимоопускать стол 43 со стержнями на шаг,равный высоте первичной ячейки б,Сначала в технологическую кассету 45укладываются вторым роботом 32 нижние концевые элементы 39, затем первичные ячейки 6 топливных элементов,после чего верхние концевые элементы39, Производится это следующим обра 6945 10зом. Из поддона, расположенного начетвертом подъемном столе 28, первичные ячейки б снимаются вторым робо-, 5том 32. Второй робот 32 переноситпервичные ячейки б блоку 35 нанесенияэлектропроводцого слоя. По командеот вычислительного блока 87 производится опускание захвата робота 32 доконтакта плоскостей ячеек со смоченной электропроводной пастой поверхностью ванны этого блока. Затем производится подъем захвата и перемещение второго робота 32 к блоку 36 сушки. Сушка нанесенного электропроводного слоя происходит в результатеобдува горячим воздухом торцовой поверхности первичных ячеек 6 топливныхэлементов, которые находятся в захва те робота 32. Бремя остановки второго робота 32 над блоком 36 сушки определяется технологическим режимом.Далее второй робот 32 перемещаетсяк блоку 38 нанесения клея и останав ливается над его ванной. По командеот вычислительного блока 87 происходит опускание захвата робота 32 исмачивацие торцовой поверхности первичцой ячейки 6, на которой уже имеется высушенный электропроводный слой,клеевым составом 37. Затем захватвторого робота 32 поднимается, а самробот, минуя пятый подъемный стол 42с кассетой 41 с концевыми элементами39, перемещается к шестому подъемномустолу 43, где в технологической кассете 45 производится сборка топливного элемента путем наложения однаца другую первичных ячеек 6. После 40 этого при помощи второго робота 32укладывается верхний концевой элемент 39.Второй робот 32 перемещается к пятому подъемному столу 42 для возобно вления операции сборки, а третий робот 46 при помощи вилочного захватазабирает с первого стола 56 крышку59 технологической кассеты и устанавливает ее на технологическую кассету45, зафиксировав, таким образом, собранные топливные модули 40.Затем третий робот 46 при помощивилочного захвата устанавливает технологическую кассету 45 на транспортер 47, который перемещает кассету45 к одному чз блоков диффузионной 55сварки. В этих блоках происходит сваривание керамических первичных ячеек6 и металлических концевых элементов11 15 7694 39 между собой. После установки технологической кассеты 45 на транспортер 47 третий робот 46 переставляет пустую технологическую кассету 45 с второго стола .57 на шестой подъемный стол 43.По окончании технологического процесса диффузионной сварки производится выгрузка технологической кассеты 45 на транспортер 47. С транспортера третьим роботом 46 технологическая кассета 45 передается на второй стол 57, где тртьим роботом 46 снимается крышка с технологической кассеты 45 и укладывается на первый стол 56.В промежутке между вторым столом 57 и третьим столом 58 имеется четвертый манипулятор 60, который извлекает из технологической кассеты 45 20 ,сваренные модули 40 топливных элемен,тов и укладывает их на третий стол 58 в горизонтальном положении, Стол 58 выполняет функции накопителя, под" держивая стабильность (непрерывность) 25 технологического процесса.Четвертый робот 64 захватывает модуль 40 топливного элемента с третье- го стола 59 и перемещает к блоку 62 нанесения изоляционных слоев, который 3 О содержит дисковый ролик, Этот дисковый ролик расположен над ваннбй и свободно вращается, перенося изоляционную пасту на поверхность модуля 40 для Формирования изоляционного слоя 63. Вращение дискового ролика происходит за счет сил трения между контактной поверхностью дисков ролика и на ружной поверхностью модуля 40, причем вращение передается от захвата четвертого робота 64, вращающего модуль 40. По окончании этой операции привод вращения модуля отключается, производится подъем захвата четвертого робота 64 вместе с модулем 40 и перемещение робота 64 к блоку 65 сущки. Производится опускание захвата, включается вращение модуля и включается обдув наружной поверхности модуля горячим воздухом. После этого робот 64 переносит модуль к блоку нанесения наружного электрода 67, где путем контакта наружной поверхности модуля со смоченной в ванне с электродной массой поверхностью дискового ролика происходит нанесение массы на модуль1 40 наружного электрода 67,12Затем робот 64 возвращает покрытый модуль 40 на позицию сушки, после чего укладывает модуль 40 топливного элемента на верхний керамический поддон 69, находящийся в стопе, расположенной на седьмом подъемном столе 68. По мере заполнения поддона 69 производится перекладывание пятым манипулятором 70 поддона 69 с седьмого стола 68 на восьмой подъемный стол 71. По мере накопления достаточного количества поддонов с модулями 40 на восьмом подъемном столе 71 вся стопа посредством пятого робота 72 снимается и переносится на транспортер 73, который передает поддоны к блока 74- 77 вжигания наружного электрода.Посла операции вжигания наружного электрода поддоны с помощью транспортера 73 и робота 72 поступают на стол 78 выдачи готовых модулей 40 топливных элементов, На этом цикл работы автоматической линии заканчивается.Предложенная автоматическая линия надежна в работе, имеет высокую производимость и позволяет изгбтавливать высокотемпературные топливные элементы с твердым электролитом 10 млн,шт. в год .на одной линии при высокой стабильности Физико-механических характеристик топливных элементов.Формула и з о б р е т е н и яАвтоматическая линия для изготовления топливных элементов, содержащая размещенные по ходу технологического процесса и объединенные транспортной системой узел изготовления первого электрода с первым подъемным столом, узел сборки и узел изготовления второго электрода, исполнительные механизмы, систему управления с датчиками положения, кассеты и привод, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения. производительности, оно дополнительно содержит семь подьемных столов, блоки сборки и разборки технологических кассет с тремя вспомогательными столами, пять роботов и пять манипуляторов, вычислительный блок, входы которого соединены с датчиками положения, а выходы - с исполнительными механизмами, транспортная система между узлами линии выполнена в виде размещенного над ними монорельса, на котором установлены с воэможностью возвратно-поступа 157тельного перемещения транспортные роботы с захватами, узел изготовления первого электрода снабжен вторым подъемным столом, блоком нанесения электродной массы на внутренние поверхности первичных ячеек, расположенными над первым и вторым подъемными столами первым манипулятором с вилочным захватом, расположенным над первым столом и блоком нанесения электродной массы вторым манипулятором с пневматическим захватом и блоком вжигания первого электрода, а размещенный над этим узлом первый транспортный робот снабжен вилочным захватом и установлен с возможностью перемещения от первого подъемного стола до четвертого подъемного стола включительно, узел сборки выполнен в виде последовательно расположенных третьего и четвертого подъемных столов с третьим манипулятором, имеющим вилочный захват, блока нанесения электропроводного слоя, блока сушки, блока нанесения клея, блока сборки технологических кассет, выполненного в виде пятого и шестого расположенных по направлению перемещения транспортного робота подъемных столов, и блока диффузионной сварки, расположенные над узлом сборки второй и третий транспортные роботы имеют различные захваты - пневматический и вилочный соответственно, второй робот выполнен с воэможностью перемещения включительно от четвертого подъемного стола до шестого подъемного стола, а третий робот - включительно от 6945 14шестого подъемного стола до узла изготовления второго электрода, узелизготовления второго электрода выполнен в виде последовательно расположенных блока сборки технологическихкассет, состоящего из первого, второго и третьего последовательно расположенных под монорельсом вспомогательных столов с расположенныммежду вторым и третьим вспомогательными столами четвертым манипуляторомс клещевым захватом, блока нанесенияизоляционных слоев, блока сушки, бло"ка нанесения электродной пасты на наружную поверхность батареи элементов,седьмого и восьмого подъемных столовс пятым манипулятором, имеющим вилочный захват, и блока вжигания второго 20 электрода, над узлом изготовлениявторого электрода установлены четвертый и пятый роботы, четвертый роботвыполнен с возможностью перемещениявключительно от третьего вспомогатель ного стола блока разборки технологических кассет до седьмого подъемногостола и имеет клещевой захват, установленный с возможностью вращения,пятый транспортный робот выполнен с 3 О возможностью перемещения включительноот восьмого подъемного стола до блокавжигания второго электрода и имеетвилочный захват, датчики положениясистемы управления размещены соответственно над каждым из подъемных столов линии, над блоком сборки технолонических кассет, над вторым и третьимвспомогательными столами блока разборки технологических кассет;