鄭艷文

（珠海市奧德維科技有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

圓柱形鋰離子電池能量密度高，平均輸出電壓高，自放電小，壽命長(zhǎng)。圓柱形鋰離子電池主要應(yīng)用于電動(dòng)自行車、新能源汽車、基站電源、數(shù)碼3C類電源[1]。

鋰電池圓柱制片卷繞一體機(jī)（以下簡(jiǎn)稱一體機(jī)）是專用于生產(chǎn)圓柱鋰電池電芯的核心設(shè)備，設(shè)備的控制系統(tǒng)性能直接影響電芯的對(duì)齊精度、內(nèi)阻、端電壓等其他電性能。高端的電芯對(duì)于一體機(jī)的效率和精度要求越來(lái)越高，而控制系統(tǒng)又是一體機(jī)的核心，高效穩(wěn)定的控制系統(tǒng)對(duì)于電芯的生產(chǎn)是至關(guān)重要的，急需提升其綜合性能。

1 一體機(jī)的機(jī)械組成結(jié)構(gòu)

一體機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由極片隔膜的收放料組件、極片的驅(qū)動(dòng)牽引組件、極耳的焊接組件、極片的保護(hù)貼膠組件、極片的送料和裁斷組件、隔膜切斷組件、極片的卷繞和工位轉(zhuǎn)換組件、收尾貼膠組件和下料組件等部分組成。放卷組件實(shí)現(xiàn)料卷的主動(dòng)放料過(guò)程，并集成糾偏機(jī)構(gòu)為一體，放卷的過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾偏功能，糾偏精度可達(dá)±0.1 mm。通過(guò)張力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制放卷的速度，以保證料帶的張力平衡，張力波動(dòng)可控制在5%以內(nèi)。牽引組件采用電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的方式進(jìn)行極片的牽引，并實(shí)現(xiàn)張力的隔斷，避免張力波動(dòng)影響前后段工序。焊接組件采用超聲焊接，將極耳焊接在裸露的箔材區(qū)。貼膠組件完成極耳焊接正反面的貼膠，避免極耳焊接后因毛刺刺穿隔膜造成短路，起到保護(hù)的作用。送片裁切組件實(shí)現(xiàn)極片的送料，采用電子凸輪配合機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)同步裁斷，裁切毛刺在7 μm以內(nèi)，裁斷精度達(dá)±0.1 mm。卷繞組件實(shí)現(xiàn)電芯的卷繞及工位的轉(zhuǎn)換，隔膜切斷組件實(shí)現(xiàn)電芯卷繞完成后的隔膜裁斷功能，收尾貼膠組件實(shí)現(xiàn)電芯的極片和隔膜裁斷后的收尾，下料組件實(shí)現(xiàn)電芯的取放和轉(zhuǎn)移到輸送線上的功能。設(shè)備以卷繞換工位組件為核心，通過(guò)各個(gè)組件實(shí)現(xiàn)分組件的同步運(yùn)動(dòng)控制，完成電芯的卷繞過(guò)程。設(shè)備核心機(jī)構(gòu)組件框架圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備核心機(jī)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)圖

2 一體機(jī)控制系統(tǒng)組成

一體機(jī)采用Rockwell AB PLC 5380作為主控制器，以VM PLC為協(xié)從控制器，通過(guò)主從CPU實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。PLC通過(guò)EtherNET/IP進(jìn)行信息的交互，執(zhí)行器件通過(guò)100 MB/s以太網(wǎng)總線進(jìn)行信息交互。本控制系統(tǒng)是集成虛擬軸同步控制、電子凸輪追剪控制、張力控制及糾偏控制等控制為一體的，多軸高精度、高響應(yīng)速度的雙PLC控制系統(tǒng)。

主控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)卷繞、牽引和入料裁斷等組件部分的協(xié)同精準(zhǔn)控制，協(xié)從控制器主要實(shí)現(xiàn)焊接、貼膠、下料等組件部分的協(xié)同控制，通過(guò)主核心程序與輔助邏輯動(dòng)作程序的分離，減少主程序掃描時(shí)間周期和程序運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。AB主控器主要通過(guò)EtherNET/IP實(shí)現(xiàn)對(duì)陰/陽(yáng)極放卷軸、陰陽(yáng)極預(yù)卷軸、卷繞軸、換工位軸、陰/陽(yáng)極牽引軸、陰/陽(yáng)極裁切軸的運(yùn)行控制，VM從控制器通過(guò)EtherCAT總線實(shí)現(xiàn)對(duì)陰/陽(yáng)極放卷糾偏軸、貼膠糾偏軸、焊接糾偏軸、焊接送極耳糾偏軸、焊接極耳送料軸、卷針穿拔針軸、電芯下料軸、電芯輸出軸和電芯燙孔軸的運(yùn)動(dòng)控制。AB主控器與VM從控制器、一體式觸控屏三者之間的信息交互通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)百兆網(wǎng)線進(jìn)行信息的傳輸。

3 虛軸同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)由多個(gè)子同步控制系統(tǒng)組成，通過(guò)各個(gè)子系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)，完成電芯的生產(chǎn)制作過(guò)程[2]。虛擬主軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都是PLC自主設(shè)定的，可進(jìn)行實(shí)時(shí)修改校正，靈活性高且維護(hù)方便[3]。通過(guò)多個(gè)虛擬軸的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)主從協(xié)同同步控制。同時(shí)在裁切卷繞軸上設(shè)計(jì)了線性凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)虛擬電子凸輪與機(jī)械凸輪的位置耦合，建立柔性曲線的配合關(guān)系，確保裁切精準(zhǔn)且對(duì)極片無(wú)損傷。與純機(jī)械凸輪控制相比，雖然控制難度有所增加，但是速度和精度都會(huì)有質(zhì)的提高，裁切時(shí)間比傳統(tǒng)凸輪減少0.5 s，裁切精度達(dá)±0.1 mm。

一體機(jī)主要由三大同步控制系統(tǒng)組成，陰/陽(yáng)極放卷-焊接-貼膠牽引同步控制，采用電子齒輪速度、相對(duì)定位模式，減小高速運(yùn)行時(shí)的張力波動(dòng)和位置定位精度。隔膜放卷-卷繞同步控制，通過(guò)隔膜放卷軸與虛擬軸的電子齒輪控制，并通過(guò)變張力控制算法，減小卷繞→隔膜收尾→換工位過(guò)程中的張力波動(dòng)，避免隔膜出現(xiàn)拉扯或放松的現(xiàn)象，保證電芯卷繞全生命周期的張力穩(wěn)定性。陰/陽(yáng)極入料牽引-入料裁切-預(yù)卷的同步控制，以外置隔膜編碼器軸作為實(shí)軸，通過(guò)入片裁切的電子凸輪控制，利用電子凸輪表與機(jī)械凸輪位置的實(shí)際嚙合，確保在同步的同時(shí)裁斷極片，實(shí)現(xiàn)同步追切的功能。

4 電子凸輪追切控制

在一體機(jī)的卷繞、送料和裁斷的過(guò)程中，采用電子凸輪來(lái)進(jìn)行位置的同步控制。通過(guò)定義主軸的時(shí)間和位置坐標(biāo)，利用五次方曲線進(jìn)行凸輪位置的約束定義[4]。通過(guò)卷繞軸和送片軸的主從同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)的裁切。

本設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)的位置跟隨電子凸輪控制，將機(jī)械凸輪槽與電子凸輪進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)高速無(wú)停歇的追切功能。電子凸輪實(shí)現(xiàn)送片電動(dòng)機(jī)軸跟隨卷繞電動(dòng)機(jī)軸，當(dāng)兩者速度達(dá)到同步時(shí)，剛好機(jī)械凸輪運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)裁切位置，可保證切片能無(wú)撕扯切斷。通過(guò)這種往復(fù)的直線凸輪裁切，配合電子凸輪的位置運(yùn)動(dòng)軌跡，確保裁切位置精準(zhǔn)可靠，且裁切時(shí)不會(huì)對(duì)極片造成損傷。若電子凸輪未達(dá)到同步速度時(shí)裁切，則會(huì)將極片扯斷、損傷極片。若電子凸輪達(dá)到同步速度而直線凸輪未達(dá)到裁切位置時(shí)，則出現(xiàn)因裁切行程過(guò)小而切不斷極片的現(xiàn)象。因此對(duì)于電子凸輪與機(jī)械凸輪的耦合對(duì)應(yīng)關(guān)系是至關(guān)重要的。

本設(shè)計(jì)采用雙凸輪設(shè)計(jì)，建立以輥軸編碼器為主虛軸，陰極和陽(yáng)極入料裁切電動(dòng)機(jī)為從軸，通過(guò)凸輪表位置參數(shù)的定義，實(shí)現(xiàn)從軸跟隨主軸的同步位置運(yùn)動(dòng)，在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)保證裁切的定位精度，同時(shí)也減少卷繞時(shí)張力的波動(dòng)。一體機(jī)電子凸輪追切控制圖如圖2所示。

圖2 一體機(jī)電子凸輪追切控制圖

根據(jù)設(shè)備實(shí)際設(shè)計(jì)情況，從軸先從0加速到最大值后同步切斷，再由最大值減小到0，完成追切過(guò)程，追切過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)抖動(dòng)和剛性沖擊，裁切精度達(dá)到±0.1 mm。通過(guò)將電子凸輪和機(jī)械凸輪同步在一起，既能保證極片裁切過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)撕扯現(xiàn)象，也可以保證裁切精度。

卷繞伺服軸高速軸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程先是從0開(kāi)始加速，到達(dá)卷繞速度Vj1=1000 mm/s 后保持恒定卷繞，在遇到極片上的極耳Mark之前，再進(jìn)行在線變速到Vj2=100 mm/s，感應(yīng)到Mark點(diǎn)后再進(jìn)行定長(zhǎng)Sj1=250 mm（根據(jù)具體的電芯卷繞工藝來(lái)定）停止。卷繞伺服軸在極片裁切過(guò)程中，只需要從感應(yīng)Mark后才開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡跟隨控制。整個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t=500 ms，卷繞伺服軸裁切段運(yùn)動(dòng)位移曲線如下：送片裁切軸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是先從0開(kāi)始加速，達(dá)到高速Vj3=500 mm/s后然后減速，到速度Vj2=100 mm/s時(shí)保持勻速，然后再減速到0，整個(gè)行程為Sj2=175 mm。

送片伺服軸采用五次方曲線跟隨主虛軸運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速和變加速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)卡頓和抖動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)更柔順、沖擊小[5-6]。定義x為主軸上的凸輪點(diǎn)的橫軸時(shí)間坐標(biāo)，S為主軸上凸輪點(diǎn)的縱軸實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，V為送片裁切伺服軸的實(shí)時(shí)速度，a為送片裁切伺服軸的實(shí)時(shí)加速度，計(jì)算公式為：

對(duì)應(yīng)的裁切位移-時(shí)間曲線圖、裁切速度-時(shí)間曲線圖和裁切加速度-時(shí)間曲線圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 裁切位移-時(shí)間曲線圖

圖4 裁切速度-時(shí)間曲線圖

圖5 裁切加速度-時(shí)間曲線圖

同理，裁切機(jī)械凸輪總行程為Sj3=80 mm，回程距離為Sj4=40 mm，裁切起點(diǎn)切刀位置為0，裁切位切刀最高點(diǎn)位置為H=8 mm，當(dāng)裁切切刀位 置H ≥7 mm時(shí)，切刀的行程均可切斷極片。機(jī)械凸輪的設(shè)計(jì)曲線五次方曲線生成，以極片進(jìn)給方向?yàn)閄軸，極片裁切方向?yàn)閅軸，進(jìn)入機(jī)械凸輪為起點(diǎn)進(jìn)行定義坐標(biāo)，凸輪進(jìn)給精度為0.1 mm，起點(diǎn)為C0（0，0），最高點(diǎn)為C1（40，8），終點(diǎn)為C2（80，0），機(jī)械凸輪的加工曲線圖如圖6所示，凸輪表面過(guò)渡光滑平整，無(wú)明顯凸起或凹坑且加工路徑連續(xù)，保證凸輪運(yùn)行切斷極片時(shí)不產(chǎn)生沖擊、卡頓、撕扯等不良現(xiàn)象。

圖6 機(jī)械凸輪加工曲線圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，卷繞的線速度為1000 mm/s，送片裁切追蹤總行程為175 mm，機(jī)械凸輪總行程40 mm，整個(gè)追切完成時(shí)間為500 ms。卷繞電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)中，卷繞電動(dòng)機(jī)再實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)的裁切，裁切尺寸與電芯的工藝相關(guān)，但是每次裁切的位置精度需保證在±0.1 mm以內(nèi)。卷繞電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)卷繞時(shí)，速度v1為0 mm/s，加速時(shí)間t1=50 ms，加速度a1=2000 mm/s2，三者之間的關(guān)系為

卷繞電動(dòng)機(jī)加速到最大速度后，繼續(xù)以最大速度保持勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)高速光纖感應(yīng)到極耳時(shí)，編碼器鎖存極耳信號(hào)，記錄當(dāng)前位置，根據(jù)電芯的卷繞工藝，設(shè)定需要卷繞的定長(zhǎng)，卷繞電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速直至設(shè)定長(zhǎng)度后停止。為了提高光纖在PLC傳輸中產(chǎn)生信號(hào)的延時(shí)，目前直接將光纖接入伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高速IO接口，可直接觸摸驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行設(shè)定的中斷子程序，節(jié)省通信傳輸時(shí)間，此方法可節(jié)省10 ms程序通信掃描時(shí)間，提高系統(tǒng)效率，同時(shí)在高速時(shí)避免信號(hào)鎖存位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致鎖存位置不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響裁切位置精度。卷繞軸以1000 mm/s運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)提前的位置規(guī)劃，在感應(yīng)到極耳信號(hào)之前進(jìn)行在線變速，將速度降低到200 mm/s，因信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生裁切誤差值Δm1，計(jì)算公式為

若感應(yīng)到極耳信號(hào)之前在線變速到100 mm/s，將高速感應(yīng)光纖接入到伺服驅(qū)動(dòng)器，直接執(zhí)行定位程序，因信號(hào)傳輸延時(shí)為1 ms，因信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生裁切誤差值Δm2，計(jì)算公式為

通過(guò)對(duì)實(shí)際的信號(hào)延時(shí)誤差分析，發(fā)現(xiàn)每次的延時(shí)時(shí)間穩(wěn)定在1 ms，且編碼器采集的位置數(shù)據(jù)穩(wěn)定，通過(guò)內(nèi)部程序進(jìn)行位置補(bǔ)償校正，減小因信號(hào)傳輸延時(shí)造成的裁切誤差。利用程序算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，凸輪裁切控制的主虛軸同步控制流程如圖7所示。

圖7 主虛軸同步控制流程圖

通過(guò)程序的實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)際生產(chǎn)工藝中進(jìn)行卷繞，工藝設(shè)計(jì)要求的裁切位置為（250±0.1）mm，統(tǒng)計(jì)500個(gè)電芯的裁切位置，分別對(duì)電芯進(jìn)行拆解，通過(guò)二次元測(cè)量極耳與裁切位置的實(shí)際距離，測(cè)量結(jié)果顯示，最大偏差值Δmax=0.125 mm，最小偏差值Δmin=0.095 mm。裁切精度為0.125 mm，滿足實(shí)際生產(chǎn)工藝要求。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文主要介紹了圓柱鋰電池制片卷繞一體機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成、控制系統(tǒng)框架，介紹了基于Rockwell Studio 5000一體機(jī)的控制系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)了電子凸輪追剪控制，并設(shè)計(jì)了基于虛擬主軸的多軸同步控制系統(tǒng)，在實(shí)際的圓柱電芯生產(chǎn)中得到了良好的應(yīng)用，通過(guò)同步控制技術(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中整機(jī)效率可達(dá)4×10-5以上，電芯對(duì)齊精度達(dá)±0.2 mm，。隨著國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的大力支持和發(fā)展，鋰電池會(huì)得到更多的應(yīng)用和發(fā)展，多軸凸輪同步控制系統(tǒng)在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。