楊振宇，何佳兵，姜無疾

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，廣東中山 528404)

鋰離子電池由于高效、清潔、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛地應(yīng)用，鋰離子電芯卷繞機(jī)是生產(chǎn)鋰離子電池的關(guān)鍵設(shè)備。目前我國的大多數(shù)鋰電生產(chǎn)行業(yè)仍采用兩工位、兩卷繞頭的半自動(dòng)卷繞機(jī)作為鋰電池電芯生產(chǎn)的主要方式，這種生產(chǎn)方式，需要人工放入極片，不但生產(chǎn)效率低下，而且容易造成極片污染，卷繞電芯也不能達(dá)到良好的一致性，以保證鋰電池具有高可靠的安全性能[1]。本文主要從機(jī)械構(gòu)成上介紹一種三卷繞頭的全自動(dòng)鋰電池電芯卷繞機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 全自動(dòng)卷繞機(jī)的工作過程

全自動(dòng)鋰電池卷繞機(jī)主要解決自動(dòng)放料、卷繞、貼終止膠帶、下料4個(gè)主要工序的自動(dòng)化銜接問題，以大幅提高生產(chǎn)效率，保證電芯成品的卷繞精度和一致性。全自動(dòng)卷繞機(jī)的工作過程如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)鋰電池卷繞機(jī)的生產(chǎn)工藝流程

首先，正、負(fù)極片料卷以及隔膜料卷進(jìn)行主動(dòng)放料，各料帶在依次進(jìn)入卷繞部的輸送過程中，分別經(jīng)過張力控制、除塵、除靜電、極片糾偏、品質(zhì)監(jiān)測等環(huán)節(jié)，然后在引導(dǎo)輪和極片導(dǎo)送機(jī)構(gòu)的牽送下進(jìn)入卷繞部，在進(jìn)入卷繞部時(shí)，正、負(fù)極和隔膜的相對位置，決定了鋰離子電池的安全性能[2]，卷繞的隔膜要包住電極，防止正、負(fù)極短路。卷繞部有3個(gè)工位，包括3個(gè)卷繞頭，依次完成卷繞→貼膠→下料，卷繞好的電芯成品由下料機(jī)械手在下料工位取下，同時(shí)進(jìn)行短路檢測，然后送入傳輸裝置，經(jīng)過光電傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)后，由輸送帶送至成品箱，檢測到的不合格品，被篩檢進(jìn)入次品箱。

2 全自動(dòng)卷繞機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)鋰電池卷繞機(jī)主要由正負(fù)極片、隔膜輸送部件，卷繞部件，終止膠帶貼膠裝置，下料機(jī)械手及檢測裝置，成品傳送和分檢，以及電氣控制和人機(jī)控制系統(tǒng)所構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 正、負(fù)極片和隔膜的輸送部件

正、負(fù)極片和隔膜的輸送裝置主要由放卷架、張力控制、除塵裝置、糾偏裝置、導(dǎo)送裝置等組成。

（1）放卷及糾偏裝置。正、負(fù)極片料卷及隔膜料卷的放卷架為單懸臂雙支承結(jié)構(gòu)，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)放卷，并設(shè)有伺服系統(tǒng)自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)，帶氣控閥的氣動(dòng)自動(dòng)脹緊裝卷。

（2）張力控制裝置。由張力擺臂、與擺臂聯(lián)接的編碼器和多個(gè)過渡輪構(gòu)成，形成對擺臂位置偏移的閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)恒張力控制，張力可通過人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以進(jìn)行張力調(diào)節(jié)。

（3）除塵裝置。該裝置采用旋轉(zhuǎn)毛刷雙面清理，負(fù)壓抽吸的方式除去極片兩面上的灰塵。

（4）過程糾偏裝置。由檢測機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，光電傳感器檢測極片基準(zhǔn)邊緣，以確定極片是否偏移，然后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整極片位置偏移。

（5）送極片裝置。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于將極片準(zhǔn)確導(dǎo)入卷繞部，并確保極片在極片導(dǎo)送機(jī)構(gòu)上的分布定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。

2.2 卷繞部件

該部件采用三卷繞頭、三工位運(yùn)行方式，單向氣動(dòng)撥針、卷針及三工位轉(zhuǎn)盤均由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程的閉環(huán)控制。卷繞完成后的正負(fù)極片切斷和隔膜切斷采用高壽命剪刀進(jìn)行氣動(dòng)裁切。

2.3 終止膠帶送進(jìn)裝置

膠帶卷采用被動(dòng)放卷方式，由氣缸完成開卷、壓緊端頭和進(jìn)行裁切，膠帶卷繞長度可按要求設(shè)定。

2.4 下料機(jī)械手及檢測裝置

采用氣動(dòng)機(jī)械手夾持電芯并回轉(zhuǎn)下料，在下料機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)電芯成品的短路檢測。

圖2 全自動(dòng)鋰電池卷繞機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示

2.5 成品電芯輸送部件

采用皮帶輪斷續(xù)輸送，與整機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍一致，輸送帶水平布置，合格品、不良品檢測后進(jìn)行分檢收集。

2.6 電氣控制和人機(jī)控制系統(tǒng)

電氣控制箱設(shè)在機(jī)臺(tái)側(cè)方，采用松下FP2-C2可編程控制器進(jìn)行控制，并進(jìn)行PLC輸入輸出模塊的擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)張力控制、糾偏控制以及伺服運(yùn)動(dòng)控制，對卷繞過程中電芯短路、料帶缺陷、少極耳、未貼膠、接帶進(jìn)行檢測和處理。

3 放卷和糾偏裝置設(shè)計(jì)

極片或隔膜在導(dǎo)向輥上傳送時(shí)，由于導(dǎo)向輥加工精度、輥面質(zhì)量以及安裝精度的影響，會(huì)使極片上張力分布不均勻，從而產(chǎn)生料帶傳輸位置的偏移。另外，由于極片邊緣不齊或表面不平整、斷面厚度不均勻都會(huì)造成料帶的跑偏。本設(shè)備的糾偏按糾偏位置不同分為放卷時(shí)糾偏和過程糾偏。糾偏檢測采用光電檢測傳感器檢測料帶邊沿，根據(jù)射源和光電頭之間透光量的大小，來跟蹤和反映極片邊緣位置的變化軌跡，并控制伺服糾偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速糾偏。圖3所示為放卷和糾偏裝置，其主要由伺服糾偏電機(jī)、由絲杠和直線導(dǎo)軌構(gòu)成的浮動(dòng)機(jī)架、糾偏輥以及用于脹緊料卷的脹緊機(jī)構(gòu)和脹緊氣缸構(gòu)成。PLC根據(jù)光電傳感信號(hào)發(fā)送處理后的糾偏信息給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)浮動(dòng)機(jī)架進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，從而使與之相連接的糾偏輥反向移動(dòng)，通過糾偏輥與極片之間的摩擦力使得極片反向偏移，從而實(shí)現(xiàn)糾偏過程。

4 卷繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4所示為全自動(dòng)鋰電池卷繞機(jī)的卷繞機(jī)構(gòu)，圖示方向?yàn)楹笠曃恢?。它包?個(gè)翻轉(zhuǎn)齒輪，3個(gè)卷繞軸按圖示位置以齒輪軸為中心均勻分布于翻轉(zhuǎn)齒輪面上，翻轉(zhuǎn)齒輪與由翻轉(zhuǎn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)齒輪相嚙合，翻轉(zhuǎn)齒輪帶動(dòng)安裝在其上的3個(gè)卷繞軸繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)3個(gè)卷繞軸卷繞工序的銜接和循環(huán)，翻轉(zhuǎn)齒輪上有用于穩(wěn)定卷繞工位的定位槽，與氣缸驅(qū)動(dòng)的定位塊相配合，用于穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。

圖3 放卷及糾偏機(jī)構(gòu)

圖4 卷繞機(jī)構(gòu)

3個(gè)卷繞軸為中空的軸，分別安裝有各自的卷針組件，卷針組件可以繞翻轉(zhuǎn)齒輪軸公轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換，也可以在卷繞電機(jī)驅(qū)動(dòng)下自轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)電芯卷繞，同時(shí)，卷針組件在出針氣缸或推針氣缸及其相應(yīng)撥塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，可以在卷繞軸中伸出或縮回，以實(shí)現(xiàn)電芯卷繞或電芯落料。其中，圖4所示位于翻轉(zhuǎn)齒輪最上端的第一卷繞軸位置為卷繞工位，在此位置完成電芯的卷繞，圖示的第二卷繞軸位置為貼膠工位，在此位置切斷極片和隔膜，并給完成卷繞的電芯貼上終止膠帶，圖示的第三卷繞軸位置為下料工位，在此位置下料機(jī)械手夾取電芯落料。

5 結(jié)束語

目前，日本生產(chǎn)商所制造的鋰電池卷繞設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化，具有較高的生產(chǎn)效率、定位精度和成品率。我國現(xiàn)階段大部分設(shè)備生產(chǎn)廠家的技術(shù)設(shè)備仍相對落后，生產(chǎn)效率低，成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)能不能滿足市場需求。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池將會(huì)在通信、電子儀器儀表、動(dòng)力汽車等領(lǐng)域得到更深層次的開發(fā)應(yīng)用，尤其是在我國電動(dòng)自行車的生產(chǎn)和規(guī)模還有很多的潛力和發(fā)展空間[3]，這都使鋰電設(shè)備尤其是鋰電池生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的電池卷繞設(shè)備，具有良好的發(fā)展前景。本文所闡述的三卷繞頭全自動(dòng)卷繞機(jī)是一種高自動(dòng)化、功能齊全、運(yùn)行可靠的卷繞機(jī)，生產(chǎn)效率可以達(dá)到每分鐘10～12個(gè)，已達(dá)到國內(nèi)鋰電裝備制造的先進(jìn)水平。

[1]楊振宇.國內(nèi)鋰電裝備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].電工工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(7):29-31.

[2]吳雪平.鋰離子電池生產(chǎn)過程中的重要質(zhì)量管控點(diǎn)[J]，電池，2008，38(5):305-308.

[3]戴永年.鋰離子電池的發(fā)展?fàn)顩r[J]，電池，2005，35(3):193-195.