Автоматизирана линия за сглобяване на батерии: откъде всъщност идват спестяванията на труд

Автор: Dany Huang, Ph.D.

Изпълнителен директор и ръководител на научноизследователска и развойна дейност, TOB New Energy

Свържете се с д-р Хуанг в LinkedIn

Резюме и ключови изводи

Разходите за труд при сглобяването на батерията не са разпределени равномерно-те са съсредоточени в няколко повтарящи се станции: подреждане на електроди, заваряване на пластини, корпус и тестване. Автоматизацията заменя тези специфични човешки движения със серво задвижвани хващачи и визуално насочван трансфер, намалявайки директния труд с 60–80 %, като същевременно повишава добива при първо преминаване, защото роботът не се уморява на осмия час. Възвръщаемостта е функция от производителността на линия и местната натоварена работна ставка, а не само от цената на машината.

• A полуавтоматична цилиндрична линияобикновено се нуждае от 8–12 оператора; напълно автоматизиран еквивалент работи с 2–3 за същия резултат.
• Преките разходи за труд на клетка падат от приблизително 0,10–0,20 USD до 0,02–0,05 USD при пилотни обеми от 1–5 милиона клетки годишно.
• Прехвърлянето, съобразено с времето на цикъла, а не необработената скорост на робота, задава линеен изход-станция, която отнема 4 секунди на клетка, ограничава линия с 15 клетки/мин, независимо колко бързо се движи роботът.
• Възвръщаемостта на инвестициите за автоматизация преминава само 24 месеца над прага на обема; под него полуавтоматичното остава рационалното капиталово решение.

Линия за сглобяване на цилиндрични клетки с шест оператора може да произведе може би 12–15 клетки на минута в най-добрия час. В седмия час ръцете на оператора на подреждането се забавят. Отклонения при позициониране на заваръчен шев. Тестовата станция поддържа резервно копие. Реалната пропускателна способност достига близо 60% от табелката, а разходите за труд на клетка се покачват с всеки отказ.

Автоматизацията на сглобяването не означава да направите линията по-бърза на хартия. Става дума за това да накарате линията да поддържа скоростта си с табелка с наименование през цялата смяна, с по-малко ръце в цикъла. Спестяванията идват от конкретни, измерими промени: роботизираното захващане замества поставянето на човек, автоматичното прехвърляне замества ходенето и чакането, а инспекцията в линията замества откриването в края на линията.

Къде се крие трудът в линията за сглобяване на батерии

Разходете се по всяка ръчна или полуавтоматична поточна линия и разходите за труд се концентрират на същите пет места:

• Подреждане на електроди / натоварване на навиване.Всяка клетка се нуждае от електроди, сепаратори и пластини, подравнени в рамките на части от милиметър. Човек-оператор поставя всеки компонент ръчно, а времето за поставяне плюс повторното подравняване отнема 30–40 % от общия труд за сглобяване.
• Позициониране на заваряване на пластини.Клетката трябва да бъде ориентирана така, че езичето да кацне върху точката на заваряване. Ръчното позициониране е бавно и променливо; неправилно подравнените заварки се показват като повреди в отворена верига при теста.
• Корпус и уплътнение.Поставянето на ролката с желе или купчината електроди в кутията, заваряването на капачката и кримпването или запечатването изисква постоянна сила и чистота, които ръцете не могат да гарантират за една смяна.
• Пълнене и обработка на електролит.Пълненето е автоматизирано дори в полуавтоматични линии, но зареждането и разтоварването на приспособлението за пълнене е ръчен труд.
• Тестване и сортиране.Всяка клетка трябва да бъде подложена на цикъл на образуване, степенувана и визуално инспектирана. Ръчното боравене между стелажите за изпитване е както трудоемко, така и риск от замърсяване.

Моделът: стъпките на процеса с добавяне на стойност (заваряване, пълнене) вече се управляват от машината, ноработете около тях-зареждането, прехвърлянето, ориентирането, разтоварването-е човешко. Това заобиколно решение е целта на автоматизацията.

Механичната сърцевина: Грайфери, които се справят без повреда

Причината, поради която сглобяването на батериите се съпротивлява на автоматизацията в продължение на години, е детайлът. Желираното руло е меко, лесно се деформира и има покрита повърхност, която се разслоява, ако се хване неправилно. Навитата цилиндрична ролка трябва да се повдига за сърцевината си или да се поддържа по цялата й дължина, никога да не се прищипва в точка.

Съвременните роботи за сглобяване решават това със специфични за приложението крайни изпълнители:

• Сервозадвижвани паралелни хващачи с контрол на силатазахващайте твърдите елементи-корпуси на кутии, модули на капачки, изводи за езичета-с програмируема сила на затваряне, която никога не надвишава границата на смачкване на детайла.
• Вакуумни грайфери с меки подложкиповдигнете електродите и сепараторите чрез повърхностно засмукване, разпределяйки натоварването върху покритата повърхност, така че активният материал да не се разпръсква. Материалите на подложките са избрани така, че да не отделят частици в чистата среда.
• Патронници за захващане на сърцевината за цилиндрични желирани ролкиразширете вътре в кухия дорник, повдигайки ролката, без да докосвате външния вятър.
• Визуално насочван избор и поставянелокализира всяка част преди захващане, като толерира разсейването на позицията, което конвейерът и станциите нагоре по веригата неизбежно въвеждат.

Инженерната точка е, че един робот е толкова добър, колкото е добър неговият краен ефектор и неговата визия. Автоматизирана линия, изградена с общи захващащи устройства, ще повреди клетките и ще работи с кратко време за работа. Линейният дизайн започва с физиката на обработката на частите, а не с модела на робота.

Автоматичен поток: Втората половина на уравнението

Роботизираното захващане премахва ръцете от отделните станции. Автоматичното прехвърляне премахва труда между станциите-и това е мястото, където повечето „автоматизирани“ линии тихо се провалят.

Трансферната система трябва да бъдесъвпадение на времето на цикъла. Ако станцията за подреждане отнема 8 секунди на клетка, а станцията за заваряване на езичета отнема 5 секунди, линията работи при максимум 7,5 клетки/мин, освен ако буферите не поемат разликата. Доминират три трансферни архитектури:

За цилиндрична пилотна линия индексаторът на подвижната греда е работният кон: клетките се движат на фиксирана стъпка, всяка станция изпълнява една операция и цялата линия пулсира в унисон. За клетките с торбички доминират независимите палети, тъй като стъпките на процеса-стифиране, заваряване на пластини, запечатване, обезгазяване-продължават много различно и се нуждаят от отделяне.

Буферирането е детайлът, който разделя теоретичната линия от текущата. Малък буферен магазин между бърза и бавна станция абсорбира естествената промяна във времето на цикъла и предпазва линията от спиране, когато някоя отделна станция хълца. Линиите без буфери спират при първата незначителна грешка; през тях минават линии с буфери.

A срещу B: Полуавтоматично срещу напълно автоматично сглобяване

Честното сравнение не е машина срещу машина. Това са два работни модела.

Полуавтоматичен модел.Индивидуални машини-навивачка, машина за заваряване на пластини, кримпер-всяка управлявана от специален работник, с клетки, пренасяни между станциите на ръка или на обикновени конвейери. Капиталовите разходи са ниски. Изходът се мащабира линейно с броя на служителите. Качеството зависи от последователността на оператора. Преминаването между формати е бързо, защото хората се адаптират мигновено.

Напълно автоматичен модел.Една интегрирана линия с роботизирана обработка, автоматичен трансфер и вградена инспекция между всяка стъпка на процеса. Капиталовите разходи са високи-обикновено 3–6 пъти полуавтоматичен еквивалент. Изходът се определя от балансираното време на цикъла на линията, а не от броя на служителите. Качеството е постоянно, защото всяка клетка следва същия механичен път. Смяната изисква промени в рецептата и приспособлението, управлявани от софтуер.

Разликата в доходността е по-важна от разликата в труда. Подобрение от 5 % на добива на линия, произвеждаща 2 милиона клетки годишно, означава 100 000 по-малко бракувани-струващи повече като разходи за материали и преработка, отколкото цялата заплата на оператора, която заменя.

Модел на възвръщаемост на инвестициите: Разходи за труд на клетка и обем на рентабилност

Метриката за вземане на решение е проста: разходи за труд на клетка=(оператори × заредени годишни разходи за труд) ÷ годишни произведени клетки.

Натоварените разходи за труд-заплати плюс обезщетения, премии за смени и обучение-варират широко по региони, от приблизително 15 000 USD/година в части от Югоизточна Азия до 60 USD000+/година в Западна Европа и Северна Америка. Това разпространение напълно променя отговора на автоматизацията.

Работен модел, 2 милиона клетки на година:

• Полуавтоматично: 10 оператора × 40 USD,000=400 000 USD/година → 0,20 USD на клетка.
• Пълен автоматичен режим: 3 оператора × 40 USD,000=120 000 USD/година → 0,06 USD на клетка.
• Годишно спестяване на труд: 280 000 USD.
• Срещу линия от 1,2 млн. USD, изплащане само на труд ≈ 4,3 години-преди икономии на доходност и скрап.

Добавете подобрението на добива (да речем 4 % от 2 милиона клетки=80 000 клетки, спестени при 2,50 USD материални разходи всяка=USD 200 000/година) и изплащането пада до приблизително 2,5 години. Ето защо моделите на ROI, които отчитат само труд, са системно песимистични, а моделите, които отчитат само капиталови разходи, са грешни в другата посока.

Референтна таблица за рентабилност (години на изплащане, изцяло автоматична линия срещу полуавтоматична базова линия)

Таблицата предполага цена на линия от среден клас, спестявания на три оператора и реалистично подобрение на доходността. При 500 000 клетки годишно с евтин труд, пълната автоматизация не се изплаща-честната инженерна препоръка е полуавтоматична линия. При 2 милиона клетки годишно със западни ставки за труд, напълно автоматичната линия е решението с по-ниска цена, дори без да се брои ефектът на добива.

Цилиндрична срещу торбичка: Профилите на автоматизацията се различават

Двата доминиращи формата не се автоматизират по същия начин.

Цилиндрични клеткиса по-лесният проблем за автоматизация. Кутията осигурява твърдо, хващащо се тяло при всяка стъпка. Навиването произвежда цилиндрична ролка, която патронникът може да повдигне недвусмислено. Станциите-навиване, заваряване на пластини, поставяне на кутии, заваряване на капачки, кримпване-са дискретни и могат да се индексират. Ето защо първите напълно автоматизирани поточни линии в индустрията бяха цилиндрични. Анапълно автоматизирана пилотна поточна линия за цилиндрична батерияс роботизирана обработка на клетки и вградено тестване индексира клетките през всяка станция на фиксирана стъпка, а твърдостта на формата поддържа ниски нива на неуспех.

Пауч клеткиса по-трудни. Купчината електроди е гъвкава, филмът на торбичката е деликатен и процесът включва стъпки-обезгазяване, повторно запечатване, оформяне на зъбци-, които действат върху мека част с нестабилни размери. Автоматизирането на сглобяването на торбичките се основава на независими палети, които пренасят всяка клетка през линията без многократно повторно захващане, и на нежни вакуумни крайни ефектори за стека. Инженерингът е по-взискателен и цената на линията е по-висока за клетка от продукцията, но трудоемкостта на ръчното сглобяване на торбичката също е по-висока, което балансира уравнението.

Споделеният принцип и в двата формата: всеки път, когато човешка ръка докосне клетка, това докосване е разход за време за поставяне, риск от замърсяване и възможност за дефект. Всяко докосване, отстранено от грайфер и конвейер, се отстраняват и трите наведнъж.

Какво автоматизацията не поправя

Автоматизацията не е заместител на капацитета на процеса. Линия, която захранва робот с лошо навити ролки, неправилно подравнени езичета или нестабилно пълнене с електролит, просто ще произвежда автоматизирани бракове по-бързо, отколкото ръчната линия произвежда ръчни. Процесите нагоре по веригата-качество на навиване, позициониране на раздели, точност на пълнене-трябва вече да са контролирани, за да се изплати инвестицията в автоматизация.

Автоматизацията също не означава без надзор. Напълно автоматичната линия все още се нуждае от оператори за попълване на материала, наблюдение на процеса и отстраняване на повреда. Реалистичният персонал е 2-3 на смяна, а не нула. Времето на работа, а не броят на служителите, е показателят, който управлява продукцията: линия, която работи 85% от времето с трима оператори, превъзхожда линия, която работи 60% от времето без никой.

Наборът от умения за поддръжка също се променя. Ръчната линия се нуждае от монтьори. Една автоматизирана линия се нуждае от техници по автоматизация, които разбират серво, визуални системи и логика на PLC. Тази промяна на уменията е реална цена, която принадлежи към модела, обикновено компенсирана от намаления брой оператори.

ЧЗВ: Икономика на автоматизираното сглобяване на батерията

От колко оператора се нуждае една напълно автоматична линия за сглобяване на батерии?
Два до три на смяна, срещу 8–12 за сравнима полуавтоматична линия. Остатъчният персонал се занимава с попълването на материали, мониторинга на процесите и възстановяването на повреди-автоматизацията не означава нулев брой служители.

Какъв е реалистичният период на изплащане на автоматизирана поточна линия?
При 2 милиона клетки на година със средни разходи за труд, приблизително 2,5–3 години, като се отчитат както спестяването на труд, така и подобряването на добива. Под 500 000 клетки годишно полуавтоматичното сглобяване обикновено е решението с по-ниска цена.

Коя е най-трудната част за автоматизиране при сглобяването на батерията?
Боравене с купчината електроди или желето без повреда. Меките части с покритие не могат да бъдат захванати като метални части, така че дизайнът на крайния ефектор-патронници за цилиндрични ролки, вакуумни подложки за купчини електроди-определя надеждността на линията.

Автоматизацията подобрява ли качеството или просто намалява труда?
И двете. Роботизираното поставяне е повторимо до части от милиметър през цялата смяна, докато ръчното поставяне се променя с умората на оператора. Типичният добив при първо преминаване се движи от високите 80-те до средата на 90-те години при полуавтоматичен режим до 96–99 % при контролирана автоматична линия.

Готови ли сте да моделирате своя собствена линия?
Решението за разходите за труд е аритметично; решението за добива е инженерно. TOB New Energy, като производител до ключ с директен източник, доставя напълно автоматизирани линии за сглобяване на цилиндрични и торбички, проектирани според вашия формат на клетка, време на цикъл и бюджет за дефекти-а не около общ каталог на роботи. Изпратете чертежа на клетката, годишния обем и вашата местна натоварена работна ставка, за да получите оформление на линията станция по станция, модел на възвръщаемост на инвестициите и директна фабрична оферта от Ксиамен.

Техническа справка, съставена от групата за инженеринг на процеси на TOB New Energy от инсталации на поточна линия в програми за цилиндрични и торбички по целия свят. За специфична за линия ROI и разбивка на станцията, свържете се с д-р Dany Huang в LinkedIn или изпратете производствените си параметри на инженерното бюро на Xiamen.