鋰電銅箔溶銅智能加料系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TF631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0129-04

Abstract:Lithiumbaterycopperfoilisanimportantcomponentthataffectstheperformanceof lithiumbaterysystems.In itsproductionprocess，disolvedcopprfeding isakeylink.Thetraditional processusesmanualoperation，whichhas shortcomingssuchashighlaborintensity，lowefciency，andpooreconomicbenefits.Throughthetransformationofthe construction processandthenewdesignofthecranehoistingacessory，thispaperdesignsasetofinteligentchargingsystem forlithiumbaterycopperfoildissolvedcopper，andcarriesoutanexampletransformationandupgrade.Theadvantagesofthis systemare:Intellgentcontrolmakesthefeeding processmorestableandreliable，andreducesinterferencefromhumanfactors. Real-timepersonnelidentificationintheworkareaandsafetyinterlockingwithintellgentsystemsaswellassafetymeasures suchasemergencystopbutons，efectivelyensurethesafetyofoperators.Highlyprecisemeasuringequipmentandoptimized fedingprocessimproveproductioneficiencyandreduceproductioncosts.Theinteligentcontrolsystemcanmonitorthe operatingstatusofcoppermeltingequipmentinrealtime，discoverandhandleabnormalconditionsinatimelymaner，and ensurecontinuityandstabiltyintheproductionprocessThissystemisafedingsystemprocessthatintegratesoperatiosafety andhighefciencyandisofgreatsignificancetoimprovingtheproductionqualityandeficiencyoflithiumbatterycopperfoil.

Keywords: lithium battery copper foil; dissolved copper;intelligent feeding system; crane spreader;design

鋰電池是新能源汽車、消費電子等產(chǎn)業(yè)的儲能關(guān)鍵支撐，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要基礎(chǔ)技術(shù)[1-3]。在鋰電池組中，實現(xiàn)高能量密度的重要組成部件之一是集流體，作為活性材料的載體，發(fā)揮著匯集活性材料產(chǎn)生的電流并輸出更大電流的重要作用，是高能量密度鋰電池的關(guān)鍵輔材[4-5]。電解銅箔導電性能高、電位適中、質(zhì)地柔軟、性質(zhì)穩(wěn)定和價格低廉，是鋰電池負極集流體的首選[6-8]。

在鋰電銅箔的生成過程中，溶銅加料是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和效率直接影響到銅箔的性能和生成成本。傳統(tǒng)的溶銅加料方式全程人工行車操作，存在加料不均勻、效率低下、易引入雜質(zhì)并威脅作業(yè)人員的安全等問題。隨著環(huán)保、安全、質(zhì)量管理要求的日益提高，企業(yè)生產(chǎn)過程的綠色化、無人化、智能化成為企業(yè)技術(shù)升級的新目標。因此，開發(fā)一種集智能化、作業(yè)安全與高效率于一體的加料系統(tǒng)工藝，對提高鋰電銅箔生產(chǎn)的安全、質(zhì)量和效率具有重要意義。

1鋰電銅箔溶銅智能加料系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能化控制系統(tǒng)設(shè)計是鋰電銅箔溶銅智能加料系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要從以下幾個方面展開。

1.1銅卷儲備架的設(shè)計與定位

規(guī)范來料銅卷的規(guī)格、外形尺寸、綁帶要求等，設(shè)計銅卷儲備架。儲備架每個銅卷安放位置設(shè)計1個光電傳感器，用于監(jiān)測儲備架上方是否有銅卷，為遠程自動化抓取銅卷提供必要信息數(shù)據(jù)。通過作業(yè)區(qū)域目標點位置的預設(shè)點和現(xiàn)場工藝相結(jié)合。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域的銅卷儲備架位置進行坐標標定，獲取每個儲備架中心坐標 X，Y，Z ，如圖1和圖2所示。

銅卷吊環(huán)

銅卷

綁帶 C口口口 □ 0000000000 0000000000 0000000000

1.2 高精度行車系統(tǒng)的設(shè)計

行車主要由大車（左右運行）小車（前后運行）吊具3部分組成，大車、小車、吊具控制運行精度在 ±2 cm內(nèi)，提高了智能化控制精度和作業(yè)高效性。行車作業(yè)運行過程中的實時位置采集，使用激光測距，在大小車及吊具側(cè)都安裝了激光測距儀，實時采集到大車左右向距離 (X) 、小車前后移動距離（Y）吊具高度距離 (Z) 。

改進行車采用歐式起重器結(jié)構(gòu)，大車和小車使用絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器和光電傳感器定位系統(tǒng)，重復定位精度 10mm ，行車和吊具之間除鋼絲繩外，另設(shè)計一套可伸縮剛性伸縮筒結(jié)構(gòu)，配備PLC電氣防搖擺控制系統(tǒng)，行車在各工況下可以穩(wěn)定運行，減少吊具由于加減速慣性帶來的擺動負面效果。

1.3 吊具的設(shè)計

吊具采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼設(shè)計拼焊加工，額定承載能力2t，采用單臺電機減速機，雙向運動滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu)，保證傳動效率的前提下，既能減少驅(qū)動源數(shù)量，簡化電氣控制，也可以達到吊具二側(cè)結(jié)構(gòu)同步張開和關(guān)閉的設(shè)計需求。在吊具上方處設(shè)計安裝限位傳感器，除電機自帶的編碼器電氣控制限位外，限位傳感器分別對吊具張開最大位置和關(guān)閉最小位置進行二次限位保護。吊具下側(cè)面位置設(shè)計2個線性運動機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)刀盤結(jié)構(gòu)，用于銅卷投料前，旋轉(zhuǎn)刀盤的電機啟動，帶動刀盤快速轉(zhuǎn)動，線性運動機構(gòu)將刀盤推移到銅卷綁帶位置，直至綁帶全部剪斷，旋轉(zhuǎn)刀盤自動回位并停止轉(zhuǎn)動。吊具底面設(shè)計安裝接近傳感器，用于檢測吊具與下方的距離。圖3為行車吊具圖。吊具采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼設(shè)計拼焊加工，額定承載能力2t，采用單臺電機減速機，雙向運動滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu)，保證傳動效率的前提下，既能減少驅(qū)動源數(shù)量，簡化電氣控制，也可以達到吊具二側(cè)結(jié)構(gòu)同步張開和關(guān)閉的設(shè)計需求，在吊具上方處設(shè)計安裝4個行程限位傳感器，除電機自帶的編碼器電氣控制限位外，4個行程限位傳感器分別對吊具張開最大位置和關(guān)閉最小位置進行二次限位保護，吊具二側(cè)壁各安裝1個接近傳感器，當電機帶動吊具關(guān)閉與銅卷到設(shè)計距離位置時，傳感器感應(yīng)到發(fā)出信號，PLC接收信號控制電機停止運動，吊具底面位置設(shè)計2個線性運動機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)刀盤結(jié)構(gòu)，用于銅卷投料前，旋轉(zhuǎn)刀盤的電機啟動，帶動刀盤快速轉(zhuǎn)動，線性運動機構(gòu)將刀盤推移到銅卷綁帶位置，直至綁帶全部剪斷，旋轉(zhuǎn)刀盤自動回位并停止轉(zhuǎn)動。

行車取料時，通過已標定的銅卷坐標和銅卷儲備架光電傳感器檢測信號，行車根據(jù)系統(tǒng)程序自動去已編號并且有銅卷的位置抓取銅卷，先將吊具張開至最大位置，吊裝鋼絲繩和剛性伸縮筒將吊具降至銅卷下方，吊具上電機滾珠絲桿機構(gòu)控制吊具二側(cè)關(guān)閉，當?shù)蹙叨?cè)接近傳感器感應(yīng)到信號時，同步發(fā)出信號，

PLC接受信號控制電機滾珠絲桿停止運動并自鎖，吊具張開位置固定，完成銅卷的自動取料和固定。

行車轉(zhuǎn)運銅卷時，融銅罐已打開且融銅罐各罐坐標完成標定，行車根據(jù)程序自動將銅卷提起轉(zhuǎn)運到二樓熔煉區(qū)需要加裝銅卷的融銅罐正上方，通過吊具上面攝像頭監(jiān)控圖像，操作員選擇融銅罐內(nèi)缺料位置需要加料的序號點，通過遠程操作平臺點擊需要投料的具體位置，行車自動將銅卷移動至最終投料點坐標上方，即完成銅卷轉(zhuǎn)運。

吊具剪綁帶時，旋轉(zhuǎn)刀盤電機自動啟動，帶動刀盤快速轉(zhuǎn)動，線性運動機構(gòu)將刀盤推移到銅卷綁帶位置，直至綁帶全部剪斷，旋轉(zhuǎn)刀盤自動回位并停止轉(zhuǎn)動，接著電機滾珠絲桿啟動，吊具張開，銅卷在重力的作用下完成投料。

通過對罐蓋和重型緊固螺絲壓緊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合行車吊具定制化的結(jié)構(gòu)，在罐蓋上方設(shè)計吊裝工作圓盤，增加立筋結(jié)構(gòu)，調(diào)高圓盤吊裝位置高度，方便吊具自動抓取罐蓋。同時罐蓋下表面設(shè)計6組導向斜面結(jié)構(gòu)，增加焊接工藝圓盤，保證每組罐蓋結(jié)構(gòu)改造的尺寸統(tǒng)一性。

另外，移除原重型緊固螺絲壓緊結(jié)構(gòu)，在融銅罐上增加6組快速強力抱夾鉗機構(gòu)，抱夾鉗由優(yōu)質(zhì)碳素鋼設(shè)計加工，使用省力杠桿原理，抱夾鉗二側(cè)設(shè)計行程和壓力可調(diào)節(jié)壓簧，安裝測試時，通過調(diào)節(jié)擰緊螺母位置，即可改變抱夾鉗的壓緊力，每組抱夾鉗可承載 100～200kg 壓緊力。抱夾鉗上方設(shè)計錐形導向面，當?shù)蹙邔奚w進行封蓋時，起到罐蓋徑向輔助導向定位功能。

行車抓取罐蓋時，已完成各個罐蓋坐標標定和手動吊裝測試，根據(jù)系統(tǒng)自動化程序，行車吊具自動運動到需要抓取罐蓋的正上方，小車卷筒電機轉(zhuǎn)動，吊裝鋼絲繩和剛性伸縮筒下放到可抓取罐蓋的位置坐標點，吊具的電機滾珠絲桿推動吊具關(guān)閉至罐蓋吊裝工作圓盤圓周側(cè)面，即可完成對罐蓋的抓取，

當?shù)蹙咛嵘龝r，吊具底面結(jié)構(gòu)拉動罐蓋上移，行車的大小車運動帶動原罐蓋轉(zhuǎn)運，當?shù)蹙咭苿又僚赃吂奚w正上方坐標位置時，吊具下降，原罐蓋下表面6組導向斜面結(jié)構(gòu)與另外一個罐蓋吊裝工作圓盤導向定位和固定，完成罐蓋的疊加。此時原罐蓋的融銅罐已經(jīng)打開，吊具自動取料銅卷投放，當投放結(jié)束時，吊具到原罐蓋疊加位置抓取原罐蓋移動至原融銅罐上方，吊具自動下降，原罐蓋通過原融銅罐6組快速強力抱夾鉗的錐形導向面結(jié)構(gòu)導向定位，在重力作用下滑落到融銅罐安裝槽內(nèi)，完成封蓋流程，最后使用快速強力抱夾鉗手柄壓桿迅速將罐蓋與融銅罐壓緊固定。

2鋰電銅箔溶銅智能加料系統(tǒng)優(yōu)點

2.1 智能化

圖4為自動化控制系統(tǒng)的操作平臺，主要由遠程操作臺、自動化控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)幾部分組成。

采用高速精準的計量設(shè)備，減少加料過程中的等待時間，提高生產(chǎn)效率。

優(yōu)化加料流程，減少不必要的操作環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。

通過數(shù)據(jù)分析和預測，提前規(guī)劃生產(chǎn)計劃和物料需求，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.2 作業(yè)安全

采用遠程自動控制的方式向溶銅罐加料，避免加料過程中銅線崩開傷人，減少環(huán)境污染和降低作業(yè)人員的健康風險。

配備緊急停機按鈕和報警系統(tǒng)，確保在緊急情況下能夠迅速切斷電源，保障作業(yè)人員的人身安全。

增加人員識別系統(tǒng)，在整個作業(yè)區(qū)，行車作業(yè)過程中實時監(jiān)測，如果人員闖入的情況下，自動化控制系統(tǒng)自動暫停流程并提示告知作業(yè)人員。

3結(jié)論

本文設(shè)計了一套鋰電銅箔溶銅智能加料系統(tǒng)，并進行了實例改造升級。通過對施工工藝改造和行車吊具新設(shè)計，將勞動強度大、效率低、經(jīng)濟效益不佳的傳統(tǒng)工藝流程升級成集智能化、作業(yè)安全與高效率于一體的加料系統(tǒng)工藝，對提高鋰電銅箔的生產(chǎn)質(zhì)量和效

率具有重要意義。

該系統(tǒng)的優(yōu)點有： ① 智能化控制使得加料過程更加穩(wěn)定、可靠，減少了人為因素的干擾。 ② 作業(yè)區(qū)域?qū)崟r人員識別與智能化系統(tǒng)進行安全聯(lián)鎖，以及緊急停機按鈕等安全措施有效保障了作業(yè)人員的安全。 ③ 高精準的測量設(shè)備和優(yōu)化的加料流程提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。 ④ 智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測溶銅設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，確保了生產(chǎn)過程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

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坡穩(wěn)定性提高，坡體最大變形及塑性應(yīng)變區(qū)域整體上移。

2)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著坡率的增加逐漸增大，坡率為1:0.8、1:0.9、1:1.0的邊坡相較于1:0.75時坡腳總functionalmaterials，2022，32(38).

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位移分別減小了 4.5%，45.5%，63.6% 0

3)隨著土體強度衰減程度的增加，邊坡穩(wěn)定性呈線性降低；土體強度衰減系數(shù)分別 95% 90%時邊坡變形總位移相較于未衰減時分別增加 68.2% 和 227.3% 。

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