負(fù)極片生產(chǎn)線鋅膏涂膏裝置的研究與開發(fā)

楊建國，彭志德，周　虎，呂士銀，吳鏞憲,樂發(fā)達(dá)

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上?？臻g電源研究所，上海 200245)

負(fù)極片生產(chǎn)線鋅膏涂膏裝置的研究與開發(fā)

楊建國1，彭志德1，周虎1，呂士銀2，吳鏞憲2,樂發(fā)達(dá)1

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.上?？臻g電源研究所，上海 200245)

現(xiàn)有的銀鋅電池負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線采用基于活塞泵原理的涂膏裝置，但該裝置氣密性要求高，出膏速度不穩(wěn)定，斷膏性能差，且使用后清洗困難，很難滿足自動(dòng)化生產(chǎn)要求.介紹了新研發(fā)的基于螺桿泵原理的涂膏裝置，通過分析影響出膏穩(wěn)定性的各種因素，構(gòu)建了出膏控制系統(tǒng).實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證了該裝置的可行性.目前，直徑為1.5 mm出膏嘴的出膏速度穩(wěn)定、無堵塞、斷膏性能優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了鋅膏涂膏工藝參數(shù)的優(yōu)化控制，得到穩(wěn)定的涂膏效果.

鋅膏涂膏裝置；銀鋅電池；負(fù)極片；PLC控制

銀鋅電池因比能量大且環(huán)保而被廣泛應(yīng)用于飛船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等領(lǐng)域，隨著我國國防及航天技術(shù)的快速發(fā)展，銀鋅電池的需求量越來越大[1-2].當(dāng)前手工制作銀鋅電池負(fù)極片的生產(chǎn)方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求，因此，研制負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線顯得十分迫切[3].

負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線主要包括模切包裝紙、包裝紙取放、?？蛉》?、一次涂膏、一次壓制成型、銀網(wǎng)取放、二次涂膏、二次壓制成型、脫模共9道工序[4]，其中，一、二次涂膏工序是影響負(fù)極片成型質(zhì)量的關(guān)鍵工序.負(fù)極片由上下兩層鋅膏以及中間的極片骨架(又稱銀網(wǎng))構(gòu)成[5].鋅膏由鋅粉、氧化鋅粉和聚乙烯醇溶液按比例配制，是一種極為黏稠的非牛頓流體.涂膏工序中，出膏裝置在三維運(yùn)動(dòng)平臺支持[6]下，在鋅膏模框內(nèi)沿特定軌跡涂膏.

基于活塞泵出膏原理的涂膏裝置依靠氣壓帶動(dòng)活塞，擠壓腔體中的膏體，將膏體擠出膏嘴.但活塞泵原理的涂膏裝置存在以下幾個(gè)問題：(1)活塞泵作為氣動(dòng)推力部件，推桿推力小且不穩(wěn)定，導(dǎo)致出膏速度變化，出膏嘴易堵塞；(2)單次出膏結(jié)束后，其出膏嘴余壓難除而持續(xù)出膏，斷膏性能差；(3)活塞涂膏裝置對氣密性要求高，為保證清潔，多次拆裝使用后，其氣密性難以保證，致使推桿上遍布膏體，影響推桿的推力，使出膏質(zhì)量下降；(4)鋅膏黏度值大、不易控制，雖然自行開發(fā)的進(jìn)氣速度控制機(jī)構(gòu)能調(diào)節(jié)推桿速度，但活塞涂膏裝置仍很難獲得穩(wěn)定的出膏速度.因此，負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線亟需一種新型涂膏裝置.

1　涂膏裝置的設(shè)計(jì)基本要求

負(fù)極片生產(chǎn)線要求出膏工序嚴(yán)格按照生產(chǎn)節(jié)拍，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由三維運(yùn)動(dòng)平臺帶動(dòng)鋅膏出膏裝置在?？騼?nèi)均勻涂布鋅膏，使?？騼?nèi)的鋅膏涂布整齊，并且保證涂布鋅膏的質(zhì)量在給定公差范圍內(nèi).兩種負(fù)極片單次壓制成型后的品質(zhì)要求如表1所示.

表1　兩種負(fù)極片的單次壓制成型的品質(zhì)要求Table 1　Quality demand of single compression moulding of two kinds of cathode pieces

為了滿足表1所示的負(fù)極片品質(zhì)要求，研制的鋅膏涂膏裝置必須實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：

(1) 出膏定量精確，出膏質(zhì)量相對誤差小于5%；

(2) 出膏速度穩(wěn)定且可控；

(3) 斷膏性能優(yōu)異，無膏體堵塞膏嘴現(xiàn)象；

(4) 鋅膏膏嘴的出膏嘴直徑應(yīng)有多種規(guī)格(如1.5，2.0，2.5 mm)，以滿足多種規(guī)格負(fù)極片對涂膏的要求；

(5) 鋅膏流量可調(diào).其他指標(biāo)如表2所示.

表2　新型涂膏裝置的其他指標(biāo)Table 2　Other indicators of the new type of pasting mechanism

2　基于螺桿泵出膏原理的涂膏裝置的基本組成

圖1給出了基于螺桿出膏原理的涂膏裝置的基本組成，該裝置由螺桿出膏機(jī)、鋅膏供料裝置、三維移動(dòng)平臺、出膏嘴及出膏工藝參數(shù)控制系統(tǒng)5個(gè)部分組成.首先，由膏體攪拌機(jī)對鋅粉、氧化鋅粉和聚乙烯醇溶液進(jìn)行攪拌，生產(chǎn)具有一定流動(dòng)性的鋅膏；然后，將鋅膏裝入鋅膏供料裝置中，通過鋅膏供料裝置為螺桿出膏機(jī)提供鋅膏；最后，螺桿出膏機(jī)將鋅膏按一定的、可調(diào)的速度從出膏嘴輸出.鋅膏供料裝置與螺桿出膏機(jī)隨三維運(yùn)動(dòng)平臺一起，在?？騼?nèi)沿設(shè)定的軌跡涂布鋅膏，為鋅膏壓制成型做準(zhǔn)備.

圖1　基于螺桿出膏原理的涂膏裝置的基本組成Fig.1　The basic composition of pasting mechanism based on the screw squeezing principle

鋅膏經(jīng)膏體攪拌機(jī)(DLH-5系列動(dòng)力混合機(jī))攪拌一定時(shí)間后，形成成分均勻、具有一定流動(dòng)性的膏體.膏體攪拌時(shí)間越長，鋅膏流動(dòng)性越大.

鋅膏供料裝置按供料要求定量地向螺桿出膏機(jī)輸出鋅膏.該裝置采用活塞泵供料方式，通過活塞將料筒中膏體擠入螺桿出膏機(jī).氣缸的壓強(qiáng)大小影響鋅膏出膏的流暢性：壓強(qiáng)過小，則鋅膏出膏流暢性差；壓強(qiáng)過大，則鋅膏中的水分易流失.壓強(qiáng)與出膏速度有著復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，通常壓強(qiáng)增大，出膏速度增大.

螺桿出膏機(jī)按出膏要求，通過控制螺桿以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，定量地輸出鋅膏.螺桿轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了鋅膏的流量：螺桿轉(zhuǎn)速越大，流量越大.

螺桿出膏機(jī)按負(fù)極片規(guī)格，采用不同直徑出膏嘴以輸出不同粗細(xì)的膏體，以便將鋅膏均勻地涂布在?？騼?nèi).一般情況下，出膏嘴直徑越小，則膏條直徑越小，鋅膏涂布越均勻，但出膏的穩(wěn)定性越差.

三維運(yùn)動(dòng)平臺選用DSP 4.5系列全自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)，帶動(dòng)螺桿出膏機(jī)，其運(yùn)動(dòng)速度(又稱涂膏速度)和出膏速度必須成一定關(guān)系，以保證膏體涂布的均勻性.運(yùn)動(dòng)速度過大，則產(chǎn)生局部無膏現(xiàn)象；運(yùn)動(dòng)速度過小，則產(chǎn)生鋅膏堆積，最終影響鋅膏成型質(zhì)量.

3　鋅膏涂膏裝置的電氣控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)的要求

在設(shè)定時(shí)間內(nèi)三維運(yùn)動(dòng)平臺帶動(dòng)出膏機(jī)和鋅膏進(jìn)料裝置按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)涂膏軌跡的控制.涂膏質(zhì)量優(yōu)劣涉及鋅膏出膏裝置的各個(gè)因素.必須對鋅膏出膏裝置的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能使涂膏質(zhì)量穩(wěn)定受控.為此，根據(jù)以上對涂膏裝置控制系統(tǒng)的要求，螺桿出膏機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：

(1) 裝置必須具有很好的實(shí)時(shí)控制性，即螺桿出膏機(jī)能及時(shí)出膏，也能及時(shí)停止出膏；

(2) 出膏方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，以便可隨時(shí)調(diào)整出膏參數(shù)；

(3) 螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)間及方向可方便地由程序或手工設(shè)定；

(4) 螺桿轉(zhuǎn)速可調(diào)且調(diào)節(jié)范圍應(yīng)較大，以滿足多種型號負(fù)極片的需求.

同時(shí)，鋅膏供料裝置的控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

(1) 氣缸能及時(shí)供壓和斷壓，以保證穩(wěn)定的鋅膏供應(yīng)；

(2) 有膏體余量警示功能，以防止在涂膏過程中出現(xiàn)斷膏現(xiàn)象；

(3) 氣缸壓力可調(diào)；

(4) 氣缸的供壓時(shí)間可方便地由程序或手工設(shè)定.

3.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于以上要求，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿.步進(jìn)電機(jī)可控性強(qiáng)，變速范圍大，運(yùn)行精度亦能滿足生產(chǎn)線的要求.

采用86BYG250-113型二相步進(jìn)電機(jī)，其可提供足夠大的扭矩以克服擠出膏體時(shí)所帶來的阻力，同時(shí)配置了2M982-AC型驅(qū)動(dòng)器、S-150-24開關(guān)電源及MY2NJ型中間繼電器等.

采用SI32×125-S型氣缸，該氣缸帶有兩個(gè)活塞位置檢測傳感器.每個(gè)氣缸的穩(wěn)壓裝置采用兩個(gè)GC200-10型穩(wěn)壓閥，作為兩級穩(wěn)壓裝置，以得到壓強(qiáng)更穩(wěn)定的氣源.

負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)線采用可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)，為便于數(shù)據(jù)通信，鋅膏出膏裝置采取一個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)控制.工況需要8個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)(包括兩個(gè)高速輸出口)，故選用FX1s-30MT晶體管輸出型PLC.其中，4個(gè)輸入點(diǎn)并聯(lián)控制三維移動(dòng)平臺的4個(gè)輸出信號端，4個(gè)輸入點(diǎn)為兩個(gè)氣缸活塞上下運(yùn)動(dòng)的極限位置檢測傳感器的輸入點(diǎn)；2個(gè)高速輸出點(diǎn)(Y0,Y1)及相應(yīng)的2個(gè)輸出點(diǎn)(Y2,Y3)對應(yīng)兩臺步進(jìn)電機(jī)工作所需的輸入頻率信號和方向信號，其余4個(gè)輸出點(diǎn)控制兩個(gè)氣缸的上下運(yùn)動(dòng)的電磁閥所需信號.

為方便對電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、轉(zhuǎn)向及氣缸活塞上下運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行調(diào)試，以匹配生產(chǎn)線的不同要求，本文選用三菱TFT系列GT1575-STBD DC型觸摸屏來控制這些參數(shù).

3.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，按照圖2所示的程序流程圖編制螺桿涂膏裝置的控制程序.該控制系統(tǒng)提供手動(dòng)出膏和自動(dòng)出膏兩種方式.其中，自動(dòng)出膏的觸發(fā)信號由三維運(yùn)動(dòng)平臺提供，而出膏時(shí)間，即螺桿出膏機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度及正反轉(zhuǎn)時(shí)間均可通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定.通過電機(jī)反轉(zhuǎn)，可以去除停止出膏時(shí)出膏嘴內(nèi)的余壓，以提高斷膏性能.手動(dòng)出膏方式可對螺桿涂膏裝置進(jìn)行調(diào)試.

圖2　螺桿涂膏裝置控制程序流程圖[7]Fig.2　Program flow chart of screw pasting mechanism

本文研制了涂膏參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)提供面向不同條件下的優(yōu)化涂膏參數(shù)(不同極片規(guī)格、不同環(huán)境溫度、濕度等)；(2)支持用戶維護(hù)涂膏工藝規(guī)則(涂膏路徑、涂膏參數(shù)等)；(3)涂膏歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，以獲取(挖掘)新的涂膏知識，對涂膏參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善.

對鋅膏涂膏裝置的參數(shù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換、氣缸活塞上升/下壓等的控制，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn).

4　工程實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

所研制的新型鋅膏涂膏裝置如圖3所示，其中，膏嘴為錐型，體積較小，處于螺桿涂膏裝置的下方，Z向出膏.

圖3　螺桿涂膏裝置外觀圖Fig.3　The external view of the screw pasting mechanism

由上文分析可知，涂膏工序的工藝參數(shù)主要包括制膏攪拌時(shí)間、溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、壓強(qiáng)和涂膏速度.按表3所示對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定.

表3　兩臺螺桿涂膏裝置的相關(guān)參數(shù)控制表Table 3　Controlling of the relative factors on the two screw pasting mechanism

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對該新型涂膏裝置按表3所述的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，涂膏效果如圖3所示，部分1#負(fù)極片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.由圖4可知，膏體軌跡較規(guī)則，無中間斷膏現(xiàn)象，出膏連續(xù)性好，因出膏速度穩(wěn)定，軌跡重復(fù)性好，出膏質(zhì)量相對誤差小(小于負(fù)極片質(zhì)量的5%).經(jīng)后一道壓制成型后，膏體充滿型腔，無漏涂，厚度均勻，滿足負(fù)極片對涂膏效果的要求.

(a) 一次涂膏

(b) 二次涂膏圖4　螺桿涂膏裝置的涂膏效果圖(1#負(fù)極片)Fig.4　The pasting drawings of the screw pasting mechanism (1# cathode pieces)

表4　1#負(fù)極片的涂膏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4　The data of pasting on 1# cathode pieces

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)對不同型號負(fù)極片進(jìn)行工程應(yīng)用.螺桿出膏機(jī)在專家系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)鋅膏均勻涂布，鋅膏流量在70～300 mm3/s內(nèi)可調(diào)，出膏嘴的最小出膏直徑可達(dá)1.5 mm.

由表4可知：

(1) 單次成型厚度為0.30～0.34 mm，平均誤差為0.02 mm，相對誤差為7.5%，在單次成型后的厚度要求范圍內(nèi)；

(2) 單次成型長度為119.98～120.16 mm，平均誤差為0.14 mm，相對誤差為0.11%，在單次成型后的長度要求范圍內(nèi)；

(3) 單次成型寬度為56.08～56.12 mm，平均誤差為0.10 mm，相對誤差為0.18%，在單次成型后的寬度要求范圍內(nèi)；

(4) 單次成型質(zhì)量為10.241～10.257 g，平均誤差為0.006 g，相對誤差為0.06%，在單次成型后的質(zhì)量要求范圍內(nèi).

由螺桿涂膏裝置的涂膏實(shí)驗(yàn)可以得到，對具有一定流動(dòng)性的鋅膏，影響涂膏效果的關(guān)鍵參數(shù)為螺桿轉(zhuǎn)速，其次為壓強(qiáng)和涂膏速度.其中，螺桿轉(zhuǎn)速越大，涂膏速度越大；壓強(qiáng)越大，涂膏速度越大；涂膏速度越大，膏條越細(xì)，但過大的涂膏速度，會(huì)引發(fā)斷膏.

5　結(jié)　語

(1) 本文針對基于活塞泵出膏原理的涂膏裝置的鋅膏涂膏問題，研制了一種基于螺桿出膏原理的涂膏裝置，為鋅膏涂膏的穩(wěn)定受控奠定基礎(chǔ).

(2) 根據(jù)該鋅膏涂膏裝置構(gòu)建了電氣控制和參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)，可以根據(jù)不同工況，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而為實(shí)現(xiàn)負(fù)極片自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)高效，提供了一條有效途徑.

(3) 通過工程實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該涂膏裝置的可行性.其出膏嘴的最小直徑可達(dá)到1.5 mm，能夠滿足負(fù)極片生產(chǎn)線的出膏要求.

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Research and Development of Pasting Mechanism of the Zinc Cream on Cathode Piece Production Line

YANGJian-guo1，PENGZhi-de1，ZHOUHu1，LüShi-yin2，WUYong-xian2,YUEFa-da

(1.College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620，China;2.Shanghai Institute of Space Power,Shanghai 200245,China)

The presented silver-zinc battery cathode automatic production line is using zinc cream pasting mechanism based on piston pump to extrude the zinc cream,but this mechanism requires high air tightness which makes pump difficult to wash after each usage,the speed of pasting cream is unstable,which makes it cannot cope with the need of the line.A screw pasting mechanism based on the theory of screw pump is introduced,which is proved accessible by practical application through designing the mechanism,and constructing its control system.This mechanism with extracting mouth which diameter is 1.5 mm has a stable speed of extruding cream,good performance of truncating as well as anti-jamming.Further,the process parameters can be controlled by this mechanism,which helps to get a stable pasting of zinc cream.

zinc cream pasting mechanism; silver-zinc battery; cathode piece;PLC controlling

1671-0444(2015)02-0242-05

2014-02-27

組建上海工程技術(shù)研究中心科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(10DZ2250300)

楊建國(1950—)，男，上海人，教授，博士，研究方向?yàn)楣鈾C(jī)電一體化和智能機(jī)器人、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)技術(shù)、智能檢測與控制、CAD/CAPP/CAM.E-mail: jgyangm@dhu.edu.cn

TP 278；TQ 152

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