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、負極片和隔膜的輸送部件

正、負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.