Автоматизированная линия сборки аккумуляторов: откуда на самом деле экономия труда

Автор: Дэни Хуанг, доктор философии.

Генеральный директор и руководитель исследований и разработок, TOB New Energy

Свяжитесь с доктором Хуангом в LinkedIn

Резюме и ключевые выводы

Затраты на рабочую силу при сборке аккумуляторов распределяются неравномерно-они сосредоточены на нескольких повторяющихся этапах: укладка электродов, сварка выступов, корпус и испытания. Автоматизация заменяет эти специфические человеческие движения захватами с сервоприводом и перемещением с визуальным управлением, сокращая непосредственный труд на 60–80 % и одновременно повышая производительность первого прохода, поскольку робот не утомляется за восемь часов. Окупаемость зависит от производительности линии и местной ставки нагруженного труда, а не только от цены машины.

• A полуавтоматическая цилиндрическая линияобычно требуется 8–12 операторов; полностью автоматизированный эквивалент работает с 2–3 для одного и того же результата.
• Прямые затраты на рабочую силу на ячейку падают примерно с 0,10–0,20 долларов США до 0,02–0,05 долларов США при пилотных объемах 1–5 миллионов ячеек в год.
• Передача, согласованная по времени цикла, а не чистая скорость робота, определяет выходную мощность линии.-станция, которой требуется 4 секунды на ячейку, ограничивает скорость линии 15 ячеек/мин независимо от скорости движения робота.
• Рентабельность инвестиций в автоматизацию превышает 24 месяца только при превышении порогового значения объема; ниже этого полуавтомат остается рациональным капитальным решением.

Линия сборки цилиндрических элементов с шестью операторами может производить 12–15 элементов в минуту в лучшие часы. На седьмом часу руки оператора-укладчика замедляют движение. Оправки для позиционирования сварных швов. Тестовая станция выполняет резервное копирование. Реальная производительность составляет около 60 % от паспортной, а трудозатраты на ячейку растут с каждым отклонением.

Автоматизация сборки не означает ускорение линии на бумаге. Речь идет о том, чтобы линия сохраняла паспортную скорость в течение всей смены с меньшим количеством рабочих рук. Экономия достигается за счет конкретных, измеримых изменений: роботизированный захват заменяет размещение человека, автоматическая передача заменяет ходьбу и ожидание, а встроенный контроль заменяет обнаружение в конце линии.

Где рабочие прячутся на конвейере по сборке аккумуляторов

Пройдите любую ручную или полуавтоматическую сборочную линию, и затраты на рабочую силу концентрируются в тех же пяти местах:

• Укладка электродов/загрузка намотки.Каждой ячейке необходимы электроды, сепараторы и выступы, выровненные с точностью до долей миллиметра. Человек-оператор размещает каждый компонент вручную, а время установки плюс повторная центровка занимает 30–40 % общего труда по сборке.
• Позиционирование выступа при сварке.Ячейка должна быть ориентирована так, чтобы выступ прилегал к точке сварки. Ручное позиционирование происходит медленно и изменчиво; несовмещенные сварные швы проявляются при испытании как отказы с разомкнутой цепью.
• Корпус и уплотнение.Вставка рулона желе или блока электродов в банку, приварка крышки, а также обжатие или герметизация требуют постоянного усилия и чистоты, которые руки не могут гарантировать в течение смены.
• Залив электролита и обращение с ним.Наполнение автоматизировано даже на полуавтоматических линиях, но загрузка и разгрузка наполнительного устройства выполняется вручную.
• Тестирование и сортировка.Каждая ячейка должна быть подвергнута формированию, классифицирована и визуально проверена. Ручное перемещение между испытательными стойками является трудоемким и сопряжено с риском загрязнения.

Схема: технологические этапы, добавляющие ценность (сварка, заливка), уже выполняются машинами, нообойти их-загрузка, перемещение, ориентация, разгрузка- осуществляется человеком. Этот обходной путь является целью автоматизации.

Механический сердечник: захваты, которые работают без повреждений

Причина, по которой сборка аккумуляторов годами сопротивлялась автоматизации, — это заготовка. Рулет с желе мягкий, легко деформируется и имеет покрытую поверхность, которая отслаивается при неправильном захвате. Намотанный цилиндрический рулон необходимо поднимать за сердечник или поддерживать по всей длине, ни в коем случае не защемляя.

Современные сборочные роботы решают эту проблему с помощью рабочих органов, ориентированных на конкретное применение:

• Параллельные захваты с сервоприводом и контролем силызахватывайте твердые элементы-корпуса банок, крышки в сборе, выступы выступов-с программируемой закрывающей силой, которая никогда не превышает предел раздавливания детали.
• Вакуумные захваты с мягкими подушечками.поднимайте электроды и сепараторы с помощью поверхностного всасывания, распределяя нагрузку по покрытой поверхности, чтобы активный материал не раскалывался. Материалы подушек выбраны таким образом, чтобы частицы не попадали в чистую окружающую среду.
• Зажимные патроны для цилиндрических желейных рулетоврасширяйтесь внутри полой оправки, поднимая рулон, не касаясь внешнего ветра.
• Выбор и размещение под визуальным контролемопределяет местонахождение каждой детали перед захватом, допуская разброс позиций, который неизбежно возникает из-за конвейера и вышестоящих станций.

С инженерной точки зрения робот хорош настолько, насколько хорош его рабочий орган и его зрение. Автоматизированная линия, оснащенная универсальными захватами, повреждает ячейки и работает с низким временем безотказной работы. Проектирование линии начинается с физики обработки деталей, а не с модели робота.

Автоматический поток: вторая половина уравнения

Роботизированный захват убирает руки с отдельных станций. Автоматическая передача устраняет трудозатраты между станциями-и именно здесь большинство «автоматизированных» линий незаметно выходят из строя.

Система передачи должна бытьвремя цикла согласовано. Если станция укладки занимает 8 с на ячейку, а станция сварки язычков — 5 с, линия работает со скоростью максимум 7,5 ячеек/мин, если только буферы не компенсируют разницу. Доминируют три архитектуры передачи:

Для цилиндрической пилотной линии индексатор с шагающей балкой является «рабочей лошадкой»: ячейки движутся с фиксированным шагом, каждая станция выполняет одну операцию, и вся линия пульсирует в унисон. В случае пакетов-пакетов преобладают независимые поддоны, поскольку этапы процесса: -штабелирование, сварка язычков, запечатывание, дегазация- выполняются с очень разной продолжительностью и требуют разделения.

Буферизация — это деталь, отделяющая теоретическую линию от работающей. Небольшой буферный магазин между быстрой и медленной станциями поглощает естественные изменения во времени цикла и не дает линии останавливаться в случае сбоя на какой-либо отдельной станции. Линии без буферов останавливаются при первой незначительной ошибке; через них проходят строки с буферами.

A против B: полуавтоматическая или полностью автоматическая сборка

Честное сравнение — это не машина против машины. Это две действующие модели.

Полуавтоматическая модель.Отдельные машины-намоточное устройство, устройство для сварки пластин, обжимное устройство-каждое обслуживается отдельным работником, ячейки переносятся между станциями вручную или на простых конвейерах. Капитальные затраты низкие. Выходные данные масштабируются линейно в зависимости от численности персонала. Качество зависит от последовательности оператора. Переключение между форматами происходит быстро, потому что люди мгновенно адаптируются.

Полностью автоматическая модель.Одна интегрированная линия с роботизированной обработкой, автоматической передачей и встроенным контролем между каждым этапом процесса. Капитальные затраты высоки,-обычно в 3–6 раз больше, чем эквивалент полуавтоматического автомобиля. Производительность определяется сбалансированным временем цикла линии, а не численностью персонала. Качество стабильно, поскольку каждая ячейка движется по одному и тому же механическому пути. Для переключения требуются изменения рецептов и приспособлений, управляемые программным обеспечением.

Разрыв в урожайности имеет большее значение, чем разрыв в рабочей силе. Повышение производительности на 5 % на линии, производящей 2 миллиона элементов в год, означает на 100 000 меньше брака-, что означает больше затрат на материалы и доработку, чем весь фонд заработной платы оператора, который он заменяет.

Модель рентабельности инвестиций: стоимость рабочей силы на ячейку и объем безубыточности

Метрика принятия решения проста: стоимость рабочей силы на ячейку=(операторы × загруженные годовые затраты на рабочую силу) ÷ количество производимых ячеек.

Затраты на рабочую силу-плюс льготы, надбавки за смену и обучение-широко варьируются в зависимости от региона: примерно от 15 000 долларов США в год в некоторых частях Юго-Восточной Азии до 60 долларов США в год000+ в год в Западной Европе и Северной Америке. Этот разброс полностью меняет ответ автоматизации.

Проработанная модель, 2 миллиона ячеек в год:

• Полуавтоматическое: 10 операторов × 40 долларов США,000=400 000 долларов США в год → 0,20 долларов США за ячейку.
• Полный автоматический режим: 3 оператора × 40 долларов США,000=120 000 долларов США в год → 0,06 долларов США за ячейку.
• Ежегодная экономия труда: 280 000 долларов США.
• При стоимости в 1,2 млн долларов США окупаемость только за счет труда составит ≈ 4,3 года-до экономии урожая и отходов.

Добавьте к этому повышение производительности (скажем, 4 % от 2 миллионов ячеек=80 000 ячеек, сэкономленных при стоимости материала в 2,50 доллара США за каждую=200 000 долларов США в год), и срок окупаемости упадет примерно до 2,5 лет. Вот почему модели рентабельности инвестиций, учитывающие только трудовые затраты, систематически пессимистичны, а модели, учитывающие только капитальные затраты, ошибочны и в другом направлении.

Справочная таблица безубыточности (годы окупаемости, базовый уровень полностью автоматического и полуавтоматического режима)

В таблице предполагается средняя стоимость линии, экономия трех операторов и реалистичное повышение доходности. При производстве 500 000 ячеек в год и дешевой рабочей силе полная автоматизация не окупается-честная инженерная рекомендация — полуавтоматическая линия. При производительности 2 миллиона ячеек в год и западных расценках на оплату труда полностью автоматическая линия является более дешевым решением даже без учета эффекта урожайности.

Цилиндрический и пакетный варианты: профили автоматизации различаются

Два доминирующих формата автоматизируются по-разному.

Цилиндрические ячейкиявляются более простой задачей автоматизации. Банка дает жесткое, захватываемое тело на каждом шагу. При намотке получается цилиндрический рулон, который патрон с сердечником может однозначно поднять. Станции-намотки, сварки вкладок, установки банок, сварки крышек, обжима-являются дискретными и индексируемыми. Вот почему первые полностью автоматизированные сборочные линии в отрасли были цилиндрическими. Аполностью автоматизированная пилотная линия сборки цилиндрических батарейБлагодаря роботизированной обработке ячеек и поточному тестированию ячейки индексируются на каждой станции с фиксированным шагом, а жесткость формата позволяет снизить процент отказов при обработке.

Мешочные клеткисложнее. Комплект электродов гибкий, пленка пакета тонкая, а процесс включает в себя этапы -дегазации, повторного запечатывания, формирования выступов-, которые воздействуют на мягкую, нестабильную по размерам деталь. Автоматизация сборки пакетов опирается на независимые поддоны, которые перемещают каждую ячейку по линии без повторного захвата, а также на мягкие вакуумные концевые захваты для штабеля. Проектирование более требовательно, и стоимость линии выше на единицу продукции, но трудоемкость ручной сборки пакетов также выше, что уравновешивает уравнение.

Общий принцип для обоих форматов: каждый раз, когда человеческая рука касается клетки, это прикосновение приводит к затратам времени на размещение, риску заражения и возможности возникновения дефекта. Каждое прикосновение, удаляемое захватом и конвейером, удаляется сразу всеми тремя.

Что не исправляет автоматизация

Автоматизация не заменяет возможности процесса. Линия, которая подает роботу плохо намотанные рулоны, смещенные выступы или нестабильный залив электролита, просто будет производить автоматический брак быстрее, чем ручная линия производит ручные. Вышестоящие процессы-качество перемотки, расположение вкладок, точность заполнения-должны уже контролироваться, чтобы инвестиции в автоматизацию окупились.

Автоматизация также не означает отсутствие присмотра. Полностью автоматическая линия по-прежнему нуждается в операторах для пополнения запасов материалов, мониторинга процессов и устранения неисправностей. Реальная численность персонала — 2–3 человека в смену, а не ноль. Время безотказной работы, а не численность персонала, является показателем, определяющим производительность: линия, которая работает 85 % времени с тремя операторами, превосходит линию, которая 60 % времени работает без никого.

Набор навыков технического обслуживания также меняется. На ручную линию требуются слесари. Автоматизированной линии нужны специалисты по автоматизации, которые разбираются в сервоприводах, системах технического зрения и логике ПЛК. Это изменение навыков — это реальные затраты, которые включены в модель и обычно компенсируются сокращением числа операторов.

Часто задаваемые вопросы: Экономика автоматизированной сборки аккумуляторов

Сколько операторов нужно для полностью автоматической линии сборки аккумуляторов?
От двух до трех в смену по сравнению с 8–12 на сопоставимой полуавтоматической линии. Оставшийся персонал занимается пополнением запасов материалов, мониторингом процессов и устранением неисправностей.-Автоматизация не означает нулевую численность персонала.

Каков реальный срок окупаемости автоматизированной сборочной линии?
При производстве 2 миллионов клеток в год при средних затратах на рабочую силу, примерно 2,5–3 года с учетом как экономии труда, так и повышения урожайности. При объеме производства менее 500 000 элементов в год полуавтоматическая сборка обычно является более дешевым решением.

Какую часть процесса сборки аккумуляторов сложнее всего автоматизировать?
Безопасное обращение со стопкой электродов или рулоном желе. Мягкие детали с покрытием невозможно захватывать, как металлические детали, поэтому конструкция концевого исполнительного механизма-держательных патронов для цилиндрических рулонов и вакуумных подушек для пакетов электродов-определяет надежность линии.

Автоматизация улучшает качество или просто сокращает трудозатраты?
Оба. Роботизированное размещение повторяется с точностью до долей миллиметра в течение всей смены, тогда как ручное размещение зависит от усталости оператора. Типичный выход первого прохода варьируется от высоких 80-х до середины 90-х на полуавтоматической линии до 96-99 % на управляемой автоматической линии.

Готовы смоделировать свою собственную линию?
Решение о стоимости рабочей силы является арифметическим; Решение о выходе является инженерным. TOB New Energy, как прямой производитель «под ключ», поставляет полностью автоматизированные линии сборки цилиндрических и пакетных элементов, спроектированные с учетом формата вашего элемента, времени цикла и бюджета дефектов,-а не вокруг общего каталога роботов. Отправьте чертеж ячейки, годовой объем и местную ставку нагруженной рабочей силы, чтобы получить схему линии по станциям, модель рентабельности инвестиций и прямое ценовое предложение от завода из Сямыня.

Технический справочник, составленный группой инженеров-технологов TOB New Energy по установкам сборочных линий цилиндрических и пакетных ячеек по всему миру. Чтобы получить информацию о рентабельности инвестиций в конкретную линию и разбивку станции, свяжитесь с доктором Дэни Хуангом в LinkedIn или отправьте свои производственные параметры в инженерный отдел Сямыня.