全自動鋰電池卷繞機的設(shè)計

楊振宇，何佳兵，姜無疾

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

鋰離子電池由于高效、清潔、使用方便等優(yōu)點，得到越來越廣泛地應(yīng)用，鋰離子電芯卷繞機是生產(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、兩卷繞頭的半自動卷繞機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]。本文主要從機械構(gòu)成上介紹一種三卷繞頭的全自動鋰電池電芯卷繞機的設(shè)計。

1 全自動卷繞機的工作過程

全自動鋰電池卷繞機主要解決自動放料、卷繞、貼終止膠帶、下料4個主要工序的自動化銜接問題，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。全自動卷繞機的工作過程如圖1所示。

圖1 全自動鋰電池卷繞機的生產(chǎn)工藝流程

首先，正、負(fù)極片料卷以及隔膜料卷進行主動放料，各料帶在依次進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)送機構(gòu)的牽送下進入卷繞部，在進入卷繞部時，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個工位，包括3個卷繞頭，依次完成卷繞→貼膠→下料，卷繞好的電芯成品由下料機械手在下料工位取下，同時進行短路檢測，然后送入傳輸裝置，經(jīng)過光電傳感器進行計數(shù)后，由輸送帶送至成品箱，檢測到的不合格品，被篩檢進入次品箱。

2 全自動卷繞機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

全自動鋰電池卷繞機主要由正負(fù)極片、隔膜輸送部件，卷繞部件，終止膠帶貼膠裝置，下料機械手及檢測裝置，成品傳送和分檢，以及電氣控制和人機控制系統(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)，采用交流伺服電機驅(qū)動，主動放卷，并設(shè)有伺服系統(tǒng)自動糾偏機構(gòu)，帶氣控閥的氣動自動脹緊裝卷。

（2）張力控制裝置。由張力擺臂、與擺臂聯(lián)接的編碼器和多個過渡輪構(gòu)成，形成對擺臂位置偏移的閉環(huán)控制，可實現(xiàn)恒張力控制，張力可通過人機界面進行參數(shù)設(shè)定，以進行張力調(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。由檢測機構(gòu)和執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)調(diào)整極片位置偏移。

（5）送極片裝置。由伺服電機驅(qū)動，用于將極片準(zhǔn)確導(dǎo)入卷繞部，并確保極片在極片導(dǎo)送機構(gòu)上的分布定位，同時實現(xiàn)自動補償。

2.2 卷繞部件

該部件采用三卷繞頭、三工位運行方式，單向氣動撥針、卷針及三工位轉(zhuǎn)盤均由交流伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)運動過程的閉環(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行氣動裁切。

2.3 終止膠帶送進裝置

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

2.4 下料機械手及檢測裝置

采用氣動機械手夾持電芯并回轉(zhuǎn)下料，在下料機械手的翻轉(zhuǎn)過程中同時實現(xiàn)電芯成品的短路檢測。

圖2 全自動鋰電池卷繞機的總體結(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、不良品檢測后進行分檢收集。

2.6 電氣控制和人機控制系統(tǒng)

電氣控制箱設(shè)在機臺側(cè)方，采用松下FP2-C2可編程控制器進行控制，并進行PLC輸入輸出模塊的擴展，以實現(xiàn)張力控制、糾偏控制以及伺服運動控制，對卷繞過程中電芯短路、料帶缺陷、少極耳、未貼膠、接帶進行檢測和處理。

3 放卷和糾偏裝置設(shè)計

極片或隔膜在導(dǎo)向輥上傳送時，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，并控制伺服糾偏機構(gòu)進行快速糾偏。圖3所示為放卷和糾偏裝置，其主要由伺服糾偏電機、由絲杠和直線導(dǎo)軌構(gòu)成的浮動機架、糾偏輥以及用于脹緊料卷的脹緊機構(gòu)和脹緊氣缸構(gòu)成。PLC根據(jù)光電傳感信號發(fā)送處理后的糾偏信息給電機驅(qū)動電路，驅(qū)動伺服電機帶動浮動機架進行直線運動，從而使與之相連接的糾偏輥反向移動，通過糾偏輥與極片之間的摩擦力使得極片反向偏移，從而實現(xiàn)糾偏過程。

4 卷繞機構(gòu)設(shè)計

圖4所示為全自動鋰電池卷繞機的卷繞機構(gòu)，圖示方向為后視位置。它包括1個翻轉(zhuǎn)齒輪，3個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)電機所驅(qū)動的驅(qū)動齒輪相嚙合，翻轉(zhuǎn)齒輪帶動安裝在其上的3個卷繞軸繞其中心軸進行旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)3個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)動的定位塊相配合，用于穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動的位置。

圖3 放卷及糾偏機構(gòu)

圖4 卷繞機構(gòu)

3個卷繞軸為中空的軸，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)以實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換，也可以在卷繞電機驅(qū)動下自轉(zhuǎn)以實現(xiàn)電芯卷繞，同時，卷針組件在出針氣缸或推針氣缸及其相應(yīng)撥塊機構(gòu)的驅(qū)動下，可以在卷繞軸中伸出或縮回，以實現(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)實現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動化，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，鋰離子電池將會在通信、電子儀器儀表、動力汽車等領(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卷繞機是一種高自動化、功能齊全、運行可靠的卷繞機，生產(chǎn)效率可以達到每分鐘10～12個，已達到國內(nèi)鋰電裝備制造的先進水平。

[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[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.