Automatizirana linija za sklapanje baterija: odakle zapravo dolazi ušteda na radu

Autor: Dany Huang, Ph.D.

Glavni izvršni direktor i voditelj istraživanja i razvoja, TOB New Energy

Povežite se s dr. Huangom na LinkedInu

Izvršni sažetak i ključni zaključci

Trošak rada u sastavljanju baterije nije ravnomjerno raspoređen-koncentriran je na nekolicinu stanica koje se ponavljaju: slaganje elektroda, zavarivanje jezičaka, kućište i testiranje. Automatizacija zamjenjuje te specifične ljudske pokrete hvataljkama na servo pogon i vizualno vođenim prijenosom, smanjujući izravan rad za 60–80 % uz istovremeno povećanje prinosa prvog prolaza, jer se robot ne umara nakon osam sati. Povrat je funkcija učinka po liniji i lokalno opterećene stope rada, a ne samo cijene stroja.

• A poluautomatska cilindrična linijaobično treba 8–12 operatera; potpuno automatizirani ekvivalent radi s 2–3 za isti izlaz.
• Izravni trošak rada po ćeliji pada s otprilike 0,10–0,20 USD na 0,02–0,05 USD pri pilot količinama od 1–5 milijuna ćelija godišnje.
• Prijenos usklađen s vremenom ciklusa, a ne sirova brzina robota, postavlja linijski izlaz-stanica kojoj je potrebno 4 s po ćeliji pokriva liniju od 15 ćelija/min bez obzira koliko se brzo robot kreće.
• ROI automatizacije prelazi 24 mjeseca samo iznad praga količine; ispod nje, poluautomatizam ostaje racionalna kapitalna odluka.

Linija za sastavljanje cilindričnih ćelija sa šest operatera može proizvesti možda 12-15 ćelija u minuti u najboljem satu. U sedam sati, ruke slagača usporavaju. Pomicanje pozicioniranja jezičnog zavara. Testna stanica radi sigurnosno. Stvarna propusnost pada blizu 60 % nazivne pločice, a cijena rada po ćeliji raste sa svakim odbijanjem.

Automatizacija montaže nije brža linija na papiru. Radi se o tome da linija zadrži svoju brzinu s natpisnom pločicom tijekom cijele smjene, s manje ruku u petlji. Uštede proizlaze iz specifičnih, mjerljivih promjena: robotsko hvatanje zamjenjuje ljudsko postavljanje, automatski prijenos zamjenjuje hodanje i čekanje, a inline inspekcija zamjenjuje otkrivanje na kraju linije.

Gdje se rad skriva u traci za sklapanje baterija

Prođite bilo kojom ručnom ili poluautomatskom montažnom trakom i cijena rada koncentrira se na istih pet mjesta:

• Slaganje elektroda / opterećenje namotaja.Svaka stanica treba elektrode, separatore i jezičke poravnate unutar djelića milimetra. Ljudski operater postavlja svaku komponentu ručno, a vrijeme postavljanja i ponovno poravnavanje troše 30-40 % ukupnog rada na sklapanju.
• Pozicioniranje jezičaka za zavarivanje.Ćelija mora biti usmjerena tako da jezičak padne na točku zavarivanja. Ručno pozicioniranje je sporo i promjenjivo; neusklađeni zavari pokazuju se kao kvarovi otvorenog kruga na ispitivanju.
• Kućište i brtvljenje.Umetanje role ili hrpe elektroda u limenku, zavarivanje poklopca i stezanje ili brtvljenje zahtijeva stalnu snagu i čistoću koju ruke ne mogu jamčiti tijekom cijele smjene.
• Punjenje i rukovanje elektrolitom.Punjenje je automatizirano čak iu poluautomatskim linijama, ali utovar i istovar uređaja za punjenje je ručni rad.
• Ispitivanje i sortiranje.Svaka stanica mora proći ciklus formiranja, ocjenjivanje i vizualni pregled. Ručno rukovanje između ispitnih polica zahtijeva napor i rizik od kontaminacije.

Obrazac: procesni koraci koji dodaju vrijednost (zavarivanje, punjenje) već su vođeni strojem, aliraditi oko njih-utovar, prijenos, orijentacija, istovar-je ljudski. To zaobilazno rješenje je cilj automatizacije.

Mehanička jezgra: hvataljke koje rade bez oštećenja

Razlog zašto je sklop baterija godinama odolijevao automatizaciji je obradak. Jelly rolada je mekana, lako se deformira i ima premazanu površinu koja se ljušti ako se pogrešno uhvati. Namotani cilindrični valjak mora se podići za jezgru ili poduprijeti cijelom dužinom, nikada se ne mora stisnuti na jednom mjestu.

Moderni roboti za sastavljanje to rješavaju s krajnjim efektorima specifičnim za primjenu:

• Paralelne hvataljke na servo pogon s kontrolom sileuhvatite čvrste elemente-tijela limenki, sklopove kapica, izvode jezičaka-s programabilnom silom zatvaranja koja nikada ne prelazi granicu drobljenja dijela.
• Vakuumske hvataljke s mekim jastučićimapodignite elektrode i separatore površinskim usisavanjem, raspoređujući opterećenje preko obložene površine tako da se aktivni materijal ne raspada. Materijali jastučića odabrani su tako da ne ispuštaju čestice u čisti okoliš.
• Stezne glave za hvatanje jezgre za cilindrične želatineproširite unutar šupljeg trna, podižući rolu bez dodirivanja vanjskog vjetra.
• Odabir i mjesto vođen vizijomlocira svaki dio prije hvatanja, tolerirajući raspršenost položaja koju pokretna traka i uzvodne stanice neizbježno uvode.

Inženjerska poanta je da je robot onoliko dobar koliko je dobar njegov krajnji efektor i njegova vizija. Automatizirana linija izgrađena s generičkim hvataljkama oštetit će ćelije i raditi s kratkim vremenom neprekidnog rada. Dizajn linije počinje s fizikom rukovanja dijelovima, a ne s modelom robota.

Automatski tijek: druga polovica jednadžbe

Robotski zahvat uklanja ruke s pojedinačnih stanica. Automatski prijenos uklanja rad između stanica-i to je mjesto gdje većina "automatiziranih" linija tiho otkazuje.

Sustav prijenosa mora bitiusklađeno vrijeme ciklusa. Ako je stanici za slaganje potrebno 8 s po ćeliji, a stanici za zavarivanje jezičaka 5 s, linija radi maksimalno 7,5 ćelija/min ako međuspremnici ne apsorbiraju razliku. Dominiraju tri arhitekture prijenosa:

Za cilindričnu pilot liniju, indexer pokretne zrake je radni konj: ćelije se kreću na fiksnom koraku, svaka stanica izvodi jednu operaciju, a cijela linija pulsira usklađeno. Za ćelije vrećica dominiraju neovisne palete jer koraci procesa-slaganje, zavarivanje jezičaka, brtvljenje, otplinjavanje-traju vrlo različito i potrebno ih je odvojiti.

Buffering je detalj koji odvaja teoretsku liniju od one koja se odvija. Mali međuspremnik između brze i spore stanice apsorbira prirodnu varijaciju u vremenu ciklusa i sprječava zaustavljanje linije kad god jedna stanica štuca. Vodovi bez odbojnika zaustavljaju se na prvom manjem kvaru; vodovi s odbojnicima prolaze kroz njih.

A protiv B: Poluautomatsko naspram potpuno automatskog sklapanja

Iskrena usporedba nije stroj-protiv-stroja. Radi se o dva operativna modela.

Poluautomatski model.Pojedinačni strojevi-motalica, mašina za zavarivanje jezičaca, mašina za prešanje-svakim upravlja posvećeni radnik, sa ćelijama koje se između stanica prenose ručno ili na jednostavnim pokretnim trakama. Trošak kapitala je nizak. Izlaz se skalira linearno s brojem zaposlenih. Kvaliteta ovisi o dosljednosti operatera. Promjena formata je brza jer se ljudi trenutno prilagođavaju.

Potpuno automatski model.Jedna integrirana linija s robotskim rukovanjem, automatskim prijenosom i inline inspekcijom između svakog koraka procesa. Kapitalni trošak je visok-obično 3–6 puta poluautomatski ekvivalent. Učinak je postavljen prema uravnoteženom vremenu ciklusa linije, a ne prema broju zaposlenih. Kvaliteta je dosljedna jer svaka stanica slijedi isti mehanički put. Zamjena zahtijeva promjene receptura i pribora kojima upravlja softver.

Jaz u prinosu važniji je od jaza u radu. Poboljšanje prinosa od 5 % na liniji koja proizvodi 2 milijuna ćelija godišnje je 100 000 manje odbačenih-vrijednijih u materijalu i troškovima prerade nego cijeli platni spisak operatera koji zamjenjuje.

Model povrata ulaganja: Trošak rada po ćeliji i volumen prijeloma

Mjerilo odluke je jednostavno: trošak rada po ćeliji=(operateri × učitani godišnji trošak rada) ÷ godišnje proizvedene ćelije.

Opterećeni troškovi rada-plaće plus beneficije, premije za smjene i obuka-različiti su po regijama, od otprilike 15.000 USD/godišnje u dijelovima jugoistočne Azije do 60 USD000+/godišnje u zapadnoj Europi i Sjevernoj Americi. To širenje potpuno mijenja odgovor automatizacije.

Radni model, 2 milijuna stanica godišnje:

• Poluautomatski: 10 operatera × 40 USD, 000=400.000 USD godišnje → 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.
• U odnosu na liniju od 1,2 milijuna USD, povrat samo na rad ≈ 4,3 godine-prije uštede prinosa i otpada.

Dodajte poboljšanje prinosa (recimo 4 % od 2 milijuna ćelija=80,000 ćelija ušteđenih uz 2,50 USD troška materijala po svakoj=USD 200,000/god), a isplativost pada na otprilike 2,5 godine. To je razlog zašto su ROI modeli koji računaju samo rad sustavno pesimistični, a modeli koji računaju samo kapitalne izdatke pogrešni su u drugom smjeru.

Referentna tablica rentabilnosti (godine otplate, potpuno automatska linija u odnosu na poluautomatsku osnovnu liniju)

Tablica pretpostavlja linijski trošak srednjeg ranga, uštedu tri operatora i realno poboljšanje prinosa. Uz 500 000 ćelija godišnje uz jeftinu radnu snagu, potpuna automatizacija se ne isplati-preporuka poštenog inženjera je poluautomatska linija. S 2 milijuna ćelija godišnje sa zapadnim cijenama rada, potpuno automatska linija je jeftinija odluka čak i prije nego što se uračuna učinak prinosa.

Cilindrična naspram vrećice: profili automatizacije se razlikuju

Dva dominantna formata ne automatiziraju se na isti način.

Cilindrične ćelijesu lakši problem automatizacije. Limenka daje čvrsto tijelo koje se može uhvatiti na svakom koraku. Namatanje proizvodi cilindrični valjak koji stezna glava može nedvosmisleno podići. Stanice-namatanje, zavarivanje pločica, umetanje limenki, zavarivanje poklopca, stezanje-su diskretne i mogu se indeksirati. Zbog toga su prve potpuno automatizirane montažne linije u industriji bile cilindrične. Apotpuno automatizirana cilindrična baterijska pilot montažna linijas robotskim rukovanjem ćelijama i inline testiranjem indeksira ćelije kroz svaku stanicu na fiksnom koraku, a krutost formata održava niske stope neuspjeha rukovanja.

Pouch ćelijesu teže. Skup elektroda je fleksibilan, film vrećice je delikatan, a postupak uključuje korake-otpuštanje plinova, ponovno brtvljenje, oblikovanje jezičaka-koji rade na mekom, dimenzionalno nestabilnom dijelu. Automatizacija sastavljanja vrećica oslanja se na neovisne palete koje nose svaku ćeliju kroz liniju bez opetovanog ponovnog hvatanja i na nježne vakuumske krajnje efektore za hrpu. Inženjering je zahtjevniji i trošak linije je veći po ćeliji izlaza, ali je i intenzitet rada ručnog sastavljanja vrećice veći, što uravnotežuje jednadžbu.

Zajedničko načelo u oba formata: svaki put kad ljudska ruka dotakne ćeliju, taj dodir je trošak vremena postavljanja, rizik od kontaminacije i mogućnost kvara. Svaki dodir uklonjen hvataljkom i pokretnom trakom uklanja se sva tri odjednom.

Što automatizacija ne popravlja

Automatizacija nije zamjena za sposobnost procesa. Linija koja ubacuje robota s loše namotanim rolama, neusklađenim jezičcima ili nestabilnim punjenjem elektrolitom jednostavno će proizvesti automatske odbacivane brže nego što ručna linija proizvodi ručne. Uzvodni procesi-kvaliteta namatanja, pozicioniranje jezičaka, točnost punjenja-moraju već biti pod kontrolom da bi se ulaganje u automatizaciju isplatilo.

Automatizacija također ne znači bez nadzora. Potpuno automatizirana linija i dalje treba operatere za dopunu materijala, praćenje procesa i oporavak od kvarova. Realna popunjenost je 2-3 radnika po smjeni, a ne nula. Vrijeme neprekidnog rada, a ne broj zaposlenih, metrika je koja pokreće učinak: linija koja radi 85 % vremena s tri operatera nadmašuje liniju koja radi 60 % vremena bez ikoga.

Mijenja se i skup vještina održavanja. Ručna linija treba montere. Automatizirana linija treba tehničare za automatizaciju koji razumiju servo, vizualne sustave i PLC logiku. Ta promjena vještina stvarni je trošak koji pripada modelu, obično nadoknađen smanjenim brojem operatera.

FAQ: Ekonomika automatizirane montaže baterije

Koliko operatera treba potpuno automatska linija za sklapanje baterija?
Dva do tri po smjeni, u usporedbi s 8–12 za usporedivu poluautomatsku liniju. Preostalo osoblje bavi se nadopunjavanjem materijala, nadgledanjem procesa i popravkom kvarova-automatizacija ne znači nulti broj zaposlenih.

Koje je realno razdoblje povrata za automatiziranu proizvodnu traku?
Na 2 milijuna ćelija godišnje sa srednjim troškovima rada, otprilike 2,5-3 godine računajući i uštedu rada i poboljšanje prinosa. Ispod 500.000 ćelija godišnje, poluautomatsko sastavljanje obično je jeftinija odluka.

Što je najteže automatizirati u sastavljanju baterija?
Rukovanje hrpom elektroda ili kolutom želea bez oštećenja. Meki, obloženi dijelovi ne mogu se uhvatiti poput metalnih dijelova, tako da dizajn krajnjeg efektora-stezne glave za cilindrične valjke, vakuumski jastučići za hrpe elektroda-određuje pouzdanost linije.

Poboljšava li automatizacija kvalitetu ili samo smanjuje rad?
Oba. Robotsko postavljanje ponovljivo je do djelića milimetra tijekom cijele smjene, dok se ručno postavljanje mijenja s umorom operatera. Uobičajeni prinos prvog prolaza kreće se od visokih 80-ih do sredine 90-ih na poluautomatskoj liniji do 96–99 % na kontroliranoj automatskoj liniji.

Jeste li spremni modelirati vlastitu liniju?
Odluka o trošku rada je aritmetika; odluka o prinosu je inženjerska. TOB New Energy, kao proizvođač s izravnim izvorom po principu "ključ u ruke", isporučuje potpuno automatizirane linije za sklapanje cilindričnih i vrećicastih ćelija projektirane prema vašem formatu ćelije, vremenu ciklusa i budžetu za nedostatke-a ne prema generičkom katalogu robota. Pošaljite crtež ćelije, godišnju količinu i svoju lokalnu stopu rada kako biste dobili raspored linija po stanicama, model povrata ulaganja i ponudu izravnu tvornicu iz Xiamena.

Tehničku referencu sastavila je grupa za procesno inženjerstvo TOB New Energy iz instalacija na montažnoj liniji preko programa cilindričnih i vrećicastih ćelija diljem svijeta. Za ROI specifičan za liniju i raščlambu stanica, povežite se s dr. Danyjem Huangom na LinkedInu ili pošaljite svoje proizvodne parametre inženjerskoj službi Xiamena.