锂离子电池芯体卷绕设备的设计与分析.pdf

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1、1 9 0 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&M a n u f a c t u r e 第 1 O期 2 o 0 9年 1 0月 文章编号：l 0 叭一 3 9 9 7(2 0 o 9)1 O O 1 9 0 一 O 2 锂 离子电池芯体卷绕设备的设计与分析 肖艳春赵 庚张 宇(河北工业大学 机械学院，天津 3 0 0 l 3 0)S t r u c t u r a l d e s i g n a n d a n a l y s i s O f t h e i n v O I u t i O n e q u i p me n t f O r l

2、i t h i u m i O n b a t t e r i e s XI A0 Ya n c h un，ZHA0 Ge ng，ZHANG Yu (H e b e i U n i v e r s i t y 0 f t e c h n o 1 0 g y，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0，C h i n a)o0 【摘要】介绍了一种用于生产锂离 子电池芯体卷绕设备的机械结构，重点对卷绕设备极片送料机 a 构和芯体卷绕换位机构进行 了设计和分析，同时对纸管机控制系统也做 了介绍。关键词：锂离子电池；卷绕；机构；控制系统【A b s t r a c t】n ，0 d c e s

3、 e c c m c 玎 e c (m ，(z d ，e g“，n e n s e d n e p r 0 u c 0 n (f m 0 凡6 r)，c 0 r e，e 0 n e e s 帆d帆咖 s Q 厂 e p c e e d n g me c 肌 s m(I厂 6乱 7 n d ，e q 上 ，e n c m(z e z n d ，r n，p 0 0 ，n e c c 玎 L D 厂 e c 0 r e，n 凡 z f e n r 0 d c e e c o n ，lo f 9 s 8 m Q 厂 p P e r 上 6 e 0 ：7 Ke y w o r d s：Li t l l

4、i um i o n ba t t e r y c or e；w i ndi ng；M e c ha ni s m；c0 n t r o l s y s t e m、-：=-：中图分类号：T H1 3 2 文献标识码：A 1 引言 锂离子电池以其重量轻、容量高、工作电压高、寿命长且无污 染等特J点在全球范围内得到普遍应用。但是锂离子电池生产中的关 键设备锂离子芯体卷绕设备，在我国仍以手工卷绕和半自动卷绕 型为主。其制成品致密陡、使用寿命等指标比较低，难以满足生产和 生活需求。在广泛调研的基础上，对现有国内外锂离子电池卷绕设 备进行了详细的分析、比较，并结合中国市场的市场需求，进行了一 种新型高

5、效全自动锂离子电池芯体卷绕设备的设计开发。2 锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计 在对国内外同类产品调研的基础上对锂离子电池芯体卷绕 设备的工艺流程进行了细分，把整体功能划分为隔膜放卷、极片 送料、芯体卷绕及换位、终止胶布封贴、自动切断及自动下料等几 个并联的功能模块。其结构，如图 l 所示。图 1锂离子电池 自动卷绕机结构示意图 1 隔膜架 2 负极极片送料机构 3 张力检测系统 4 正极极片送料机构 5 送料风箱 6 乳 压辊 7 _A位卷针 8 隔膜切断机构 9 换 位轴 l O 肢布切断机构 1 1-贝 占 胶布装置 1 2 B 位卷针 1 3 芯体压紧装置(1)隔膜放卷机构：将隔膜料卷

6、连续放出。(2)极片送料机构：它的功用是将多层叠放的正负极片 以一 定的速度向风箱送料机构有序放出。女来稿 日期：2 0 0 8 一 l 2 2 3 (3)芯体卷绕及换位机构：将前面送到的正负极片、隔膜卷绕 成型为一定直径的芯体。(4)胶布贴封机构：为卷绕成型的芯体粘贴终止胶布。(5)压紧切断机构：在卷绕时压紧芯体；在卷绕结束后将连续 的胶布、隔膜切断。在整体结构设计中，关键环节是芯体卷绕换位和极片送料机 构的设计与分析，极片送料机构和芯体卷绕换位机构是纸管机能 否连续精确送料、实现 自动化的基础；各个模块之间的协调一致，是保证生产线正常工作的关键。2 1芯体卷绕换位机构的设计与分析 经过国内

7、外电池行业的卷绕设备的工艺流程和设备结构进 行了大量的分析比较和论证，在此基础上提出了新的卷绕结构一 双针换位卷绕机构，极大地提高了芯体卷绕的效率。双针换位卷 绕结构是在单工位卷绕结构的基础上开发 的一种新 的卷绕结构，该结构设计有两个工位，每个工位都拥有独立的动力源和传动系 统、卷绕装置。可以独立地完成卷绕、胶布封贴、退卷等功能。机构 的示意图，如图 2所示。当隔膜和极片料带到达 A工位后，连接杆和A位卷针在A位 气缸的驱动下伸出，卷针将料带夹住后，前端插入卷针支位板。A位 卷绕电机得电后通过齿轮副驱动连接杆和 A位卷针旋转一定圈数 后，卷绕电机停止。A位限位气缸得到信号，限位块将旋转套顶住

8、。上述动作完成后，换位电机得电通过旋转主轴驱动旋转换位 盘、凸轮盘旋转 1 8 0。，A、B位的连接杆和卷针互换。A位已经卷成 的芯体到达 B工位，进行卷成芯体外围胶布的粘帖。同时，B位卷 针到达 A位，成为新一轮的 A位卷针，气缸驱动卷针伸出，进行 芯体的卷绕。B位胶布封帖完成后卷针缩回，封贴完的 芷=体从 B 工位掉下，完成单个芯体卷绕的全部工序后下料。然后开始新一 轮的 A位卷绕，B位封帖工序。第 1 0 期 肖艳春等：锂离子电池芯体卷绕设备的设计与分析 1 9 l 图 2双针换位卷绕结构示意图 1 A位气缸 2 _ A 位卷绕电机 3 十字滑块联轴器 4 滑动轴承套 5 小齿轮轴 6

9、齿轮副 7 旋转换位盘 8 卷针 支位板 9-A位卷针 1 0 换位主轴 1 1 B位卷针 1 2 凸轮盘1 3 B位卷绕 电机 1 4 B位气缸 1 5 换 位 电机 2 _ 2极片送料机构设计与分析 极片送料机构在极片卷绕设备中属于原料输送功能模块，它 的功用是在芯体卷绕过程中按照设定的速率将送料箱中的电池 极片(正极、负极)输送到风箱传送带上，然后传送给芯体卷绕换 位机构。考虑到传送过程中对电池极片损伤的程度和传送效率，本 设备采用了真空吸附辊作为传动的执行元件。极片送料机构的结构 图，如图3 所示。极片放入送料机构的送料箱中，当真空泵开始运转 时，吸附辊上和配气盘相通的小孔就产生径向的

10、吸附力，使极片紧 紧吸附在吸附辊上，这样当吸附辊在步进电机驱动下匀速旋转 时，就产生沿吸辊切线方向的力，将极片片料送出到下一个工位。图 3极片送料机构图 芯体卷绕时要求正负极片料同时送达卷绕主系统。因此首先 必须在极片送料时就保证正负极片的送出速度一致(线速度一 致)。因此本设备中所需的四个吸辊设计由一个步进电机采用同 步带串联方式同时驱动，以保证恒定的线速度。步进电机的输出 转速由叮编程控制器基于主卷绕电机的速度依据一定的关系设 定，从而保证设备功能的实现。3电气控制系统设计 3 1设备的控制原理 采用可编程控制器(P L c)作为核心来完成对锂离子电池芯 体卷绕设备的自动控制，以触摸屏作为

11、人机界面，通过对电机组、气动原件组和其他的参数检测设备来实现张力控制、芯体卷绕、换位、终止胶布贴封、胶布切断及隔膜切断、隔膜送料、极片送料 等系统、结构的协同稳定运行，实现预期的动作流程。其控制原 理，如 图 4 所示。极 片 送 料 电 机 风 箱 电 机 图 4控制原理图 3 _ 2 人机交流软件 触摸屏软件采用 E a s y B u i l d e r 5 0 0编写，然后下载到触摸屏 上进行操作。主要实现手、自动选择，各种参数设定、读取、显示。本系统由主控页面，如图5所示。手动操作、自动操作、参数设定、工件计数等页面组成。图 5主控页面 3 3 P L C软件 P I|c程序是控制系

12、统的核心根据上述控制要求和工艺流程 编制程序流程图，然后用梯形图或语句表语言实现。程序流程图，如图 6 所示。l N人 I R 萃_ l 彳、：Y A位夹紧 气缸压紧+l，地 由+n 地 1 N 上 、广一一 一 +I A 位 卷 绕电 机 停 止I A 位 夹 紧 气 缸 收 回 l B 位 卷 针 气 缸 压 紧 l l l A B 换位 A位夹紧气缸压紧 B 位胶布气缸进给+A位卷绕电机卷绕 B位夹紧气缸压紧 N。+B 位胶布气缸收回 =Y 胶布切断气缸切断+r B 位卷绕电机卷 绕 L 图 6程序流程图 机 械 设 计 与 制 造 l 9 2 Ma c hi n e r y De s

13、n&Ma n uf a e t u r e 第 1 O 期 2 0 0 9年 1 0月 文章编号：1 o 0 1 3 9 9 7(2 o 0 9)l 0 一 O 1 9 2 0 3 分布式无线 网络下的多移动机器人控制 系统 木 李一青何永义李宪华郭 帅 (上海大学 机电工程与 自动化学院 机器人研究所，上海 2 0 0 0 7 2)l V l u I t i mO b-l e r O b O t C O n t r O I S V S t e m b a S e d O n wi r e I e S S d i S t r i b U t i O n S V S t e m LI Yi q

14、i n g，HE Yo n g y i，LI Xi a n h u a，GU0 S h u a i (S h a n g h a i U n i v e r s i t y，S c h 0 0 1 o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t 0 ma t i 0 n，S h a n g h a i 2 0 O 0 7 2，C h i n a)00000000 00 00 00 00 00 0o 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0oo00c0000000000000000 00 o0 000000

15、00 0()00：【摘 要】根据移动机器人的控制要求设计实现一个基于分布式无线网络条件下的多移动机器人控：制系统。采用多节点连接方式的网络拓扑结构将 多个机器人或其它设备连接组成机器人控制网络。机器 人控制采用分层递阶的结构，并根据网络控制系统的特点和要求特别是在时延的特点上进行优化。控制 i 系统实 现了 一定的自 主决策并能体现出一定的智能性。通过对不同网络条件下机器人控制过程的时延进：i 行了测试，根据实际实验数据分析评价了分布式无线网络控制 系统的可行性与实际控制效果。：关键宇：网络控制系统；分布式无线网络；多机器人控制；分层递阶结构：【A b s t r a c t】A如s 聊d n

16、 e 。c 0 r o f s 把 m 0 厂 m M m 0 6 fe r 0 6 p r e s e n 5 6 e d 0 凡：r e s s d r u 0 ，O e 0 r m 0 m 0 6 r 0 6 o 帆d 0 m e 0 r 如 c e e c 0 e c 把 z e j 0 0：n e 0 o r，0 n e 。c o n f r 0 z，s 把，0 r e 翻 0 e ，e f e s 凡 0 d e p，D e d n o r d e r 0 r e e d 一 ：；r 6 上 f 0 z 九 f e s n e 。0 cm d e e d e c 0 e r(r ，

17、z e e 九 田 7 c 0 凡 ，f r 上 c f u，le s s e d n e ：i r 0 6 0 c 0 n 厂 0 f s m 如0 p m e d 6 y e u r e s Q 厂 e 0 c o 凡 r 0 f s m e 印e c m e 如缸 ；e c 0 n r 0 z s 把 r凡 s c 叩(c6 Q 厂 f o 凡 0 “s 如c n s 0 m e c 0 0 把 s 如 d ：i r e m e f 0 e 舢 r 0 凡 m e ，p e r m 0 n c e 0 厂 e 0 z e c 0 n r 0 f s m c 6 e p r o e d ：

18、Ke y wor ds：Ne t w0 r k c on t r oI s y s t e m；w i r e l e s s d i s t r i bu t i o n ne t wo r k；M u l t i r ob ot c o nt r o l；Hi e r 0 0：a r c h y c o n t r o l s t r u c t u r e ：0 0 00 00 00 0 0 0 0 0 0 。0 0 0 00 00 00 00 0 o o 0 0 c c。c)0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0。0。0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 o(

19、0 0 0 0 0 00 0。中图分类号：T H1 6，T P 2 4 2 6 文献标识码：A !1日 Ij舌 网络控制系统(N e f w 0 r k c o n t r 0 1 s y s t e m，简称 N c s)，指的是通 过网络将不同物理位置的传感器，控制器和执行器连接成一个整 体。各部分通过网络在实现相互的通信和数据的交换以达到分工 合作，相互协调，共同完成任务的目的。基于网络的控制可以有效的 延伸人的工作空间，随着网络稳定性的增强，带宽的提高，能够大大 提高通信设备之间的协作能力和可靠I生。同时网络拓扑结构的多样 性，灵活I生也可以减少系统连线，简化安装与维护，实现控制结构灵

20、 活多变等。随着I n t e me t 的不断发展，网络控制也可以通过 I n t e me t 方便的实现远程控制。在网络通信发展的同时，近几年来无线网络 通信技术也得到长足的发展。无线通信技术及I E E E 8 0 2 1 1 g 通信协 议的发展更将无线网络带入了个新的局面。无线网络无论是在网 络带宽，抗干扰和安全J生上都有很大的改善。无线通信可以消除布 线的限制，使得控制系统及被控系统在空间上都有了极大的灵活 性。控制结构及方式的改变不再受布线的约束。由于移动机器人的技术要求，基于无线网络的控制系统可以 大大减少线路对机器人的限制，使得机器人有更加灵活的移动方 式和更为广阔的移动空

21、间，特别是多机器人的控制。2 机器人网络控制系统结构 移动机器人控制系统主要由主控计算机、机器人手臂、机器 人手臂控制器、移动控制器、传感器、外部监控计算机组成，其系 统结构，如图 1 所示。来稿 日 期：2 o 0 8 1 2 2 9 基金项 目：国家科技部 8 6 3 项目(2 0 0 7 A A O 4 l 6 O 4)4结论 参考文献 本系统采用 P【|c和触摸屏技术，实现了对锂离子电池芯体 卷绕设备的自动控制。与传统的手工和半自动卷绕设备相比，其生 产电池芯体眭能可靠质量、质量稳定，且大大提高了劳动生产率。由于很多功能都采用机械机构实现，制造和维护成本低，达 到了客户的需求。并且通过

22、人机界面实现计数、计时、计算产能、系统监控、故障自动识别、自动报警等功能，使机械安全ll生 提高，提高了生产效率并且极大地改善了操作人员的工作环境。1 胡良龙，胡志超，高刚华，计福来，王海鸥，田立佳 基于 P L c的种子包衣机 自动控制系统设计与实现 农业工程学报，2 0 O 7(8)：l 4 0 1 4 4 2 钟肇新 可编程控制器原理及应用 M1 广州：华南理工大学出版社，2【)(】3 3韩志超，桑斌修 P L c与触摸屏通讯的实现和应用 应用天地，2 0 0 6(3)：5 3 5 4 李伟，杨中，平冯辉 触摸屏和P L c 在农产品立体仓库中的应用 J j 微计算 机，2 0 O 7，2 1：6 7 5 三菱微型可编程控制器编程手册 三菱公司，2 O H 0 1 6 孙恒，陈作模 机械原理(第六版)M 北京：高等教育出版社，2 O 0 1