動(dòng)力鋰離子電池激光切片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李俊杰 劉宇斐

（廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州511458）

0 引言

伴隨新能源汽車的不斷發(fā)展，作為新能源汽車產(chǎn)品中最重要的部件——鋰離子電池的需求量也越來越大，當(dāng)前動(dòng)力電池的生產(chǎn)工藝還沒有較為成熟的技術(shù)，在可靠性、連續(xù)化、一致性、無污染等方面生產(chǎn)工藝正在不斷升級(jí)，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)是正負(fù)極片的制備，它決定了電池質(zhì)量［1］。傳統(tǒng)的生產(chǎn)是采用機(jī)械切割，極片的邊緣會(huì)產(chǎn)生毛刺，對(duì)電池的安全性造成影響，同時(shí)機(jī)械切割作用力的存在對(duì)極片也會(huì)產(chǎn)生不利影響。本文采用激光工藝來消除機(jī)械切割對(duì)極片產(chǎn)生的不利影響，激光在涂布均勻的極片料帶上行走，切割出帶有極耳的極片，動(dòng)態(tài)切割、一次成型。機(jī)器前段勻速送料，中段采用激光打標(biāo)軟件來輸入切割圖形，待切割的電池極片勻速經(jīng)過激光振鏡（激光切割執(zhí)行部件）時(shí)，振鏡按照輸入切割圖形高速切割極片。此套系統(tǒng)工作效率高，更換切割圖形無需換刀具，直接修改切割圖形即可，精準(zhǔn)涂布，廢料少，只有少量鋁箔。

1 生產(chǎn)流程

分條好的極片上卷，從主放卷輥放出，經(jīng)過拖料輥，最后通過糾偏系統(tǒng)傳送至激光飛切裝置。在此中間有兩個(gè)張力控制器來匹配前后電機(jī)由于放料卷半徑的變化產(chǎn)生的速度變化，自動(dòng)糾偏器檢測(cè)微調(diào)極片邊線位置，在進(jìn)入激光切割裝置之前，兩個(gè)正反轉(zhuǎn)除粉電機(jī)用來除去極片上的細(xì)微粉塵，保障極片的質(zhì)量。設(shè)備中段為激光切割，色標(biāo)傳感器檢測(cè)到信號(hào)之后，待極片恒速傳送到待切割區(qū)域，激光控制系統(tǒng)通過控制振鏡飛速運(yùn)動(dòng)改變出光路徑完成極片圖形切割，同時(shí)廢料去除裝置去除多余廢料，待后段傳感器檢測(cè)到加工完成的極片后，取料機(jī)械手動(dòng)作，料盒主動(dòng)接料處理并計(jì)數(shù)，待達(dá)到收集數(shù)值換料盒。圖1為鋰電池激光極片切割機(jī)工藝流程圖。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)備分為前段恒速送料單元、中段激光切割單元、后段極片收集單元，模塊間采用I／O通信，主控采用一個(gè)嵌入式工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器，激光切割系統(tǒng)采用專業(yè)的激光打標(biāo)控制器，控制X、Y兩個(gè)自由度振鏡，讓激光光路在焦平面運(yùn)動(dòng)，切割待加工圖形，設(shè)備后段極片收集單元由抓料機(jī)械手和自動(dòng)料盒轉(zhuǎn)換裝置組成。

激光切片機(jī)放卷示意圖如圖2所示，主放料電機(jī)驅(qū)動(dòng)料卷主動(dòng)放料，料帶在張力輥上摩擦產(chǎn)生張力，張力的大小隨擺輥擺角變化。張力傳感器A測(cè)量擺輥的角度，輸出的電壓與檢測(cè)的張力成正比，張力的大小反饋前后電機(jī)的速度是否匹配。張力傳感器的電壓值與主放料電機(jī)轉(zhuǎn)速相乘作為放卷電機(jī)速度給定值。顯然，此控制系統(tǒng)屬于按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹埩﹂_環(huán)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)擾動(dòng)下（卷徑和主放料電機(jī)速度改變）張力發(fā)生變化。

圖1 鋰電池激光極片切割機(jī)工藝流程圖

圖2 極片放卷示意圖

放卷在極片拉伸作用下，根據(jù)胡克定律，放卷張力為：

式中，A為極片的橫截面積；e為彈性形變；E為彈性模量；l0為未拉伸極片長(zhǎng)度；l為拉伸極片長(zhǎng)度；T0為張力初始值；V1為主放卷電機(jī)速度；V2為拖料電機(jī)速度。

由式（1）知，要使放卷張力T恒定，只需主放卷電機(jī)速度V1跟隨V2。加入恒張力控制［2－4］，此閉環(huán)系統(tǒng)控制方案如圖3所示。

由張力傳感器輸出0～5V電壓反饋，與初始比例閥設(shè)定值比較，通過PID調(diào)節(jié)，主機(jī)速度是PID調(diào)節(jié)值與主機(jī)速度值的結(jié)合，組成了張力的閉環(huán)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過實(shí)際運(yùn)行能夠克服電機(jī)速度和卷徑變化等因素帶來的張力波動(dòng)。

圖3 放卷恒張力控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 嵌入式控制器功能分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備工藝流程來分析PLC的功能并進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）恒速飛切電機(jī)的控制：通過中間的張力傳感器帶動(dòng)拖料電機(jī)運(yùn)動(dòng)，保障激光切割區(qū)域料帶恒速，實(shí)現(xiàn)恒速送料。（2）主動(dòng)放料電機(jī)的控制：放料電機(jī)啟動(dòng)，跟隨前面拖料電機(jī)的速度，根據(jù)張力傳感器來調(diào)整放料的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)放料。（3）激光飛切單元控制：主要是色標(biāo)傳感器檢測(cè)到切割信號(hào)，經(jīng)過一段固定距離傳送至激光切割區(qū)域，這個(gè)距離的計(jì)算是通過比較電機(jī)編碼器的值來實(shí)現(xiàn)，出光信號(hào)通過I／O輸出，激光飛切控制卡觸發(fā)激光器去執(zhí)行。（4）廢料除去單元控制：色標(biāo)傳感器檢測(cè)到切割信號(hào)，待極片傳送至切割區(qū)域，等待極片切割完成的一瞬間，廢料除去電機(jī)啟動(dòng)，通過撥桿打掉廢料。（5）極片收集單元控制：傳感器檢測(cè)到極片加工完成之后，啟動(dòng)取料機(jī)械手去抓取極片，并且通知收料盒準(zhǔn)備接料。

3.2 程序主要實(shí)現(xiàn)的功能

嵌入式控制器CPAC－OctoBox主要負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，包括控制放料電機(jī)、拖料電機(jī)、恒速切割電機(jī)，放料電機(jī)卷徑的變化轉(zhuǎn)化成張力的變化，通過張力模擬量的變化直接轉(zhuǎn)換控制前后電機(jī)的線速度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)激光切割的恒速送料，通過I／O啟動(dòng)激光切割系統(tǒng)、廢料去除系統(tǒng)、機(jī)械手取料系統(tǒng)。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序總體流程圖

3.3 可視化界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的是eView觸摸屏，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)試維護(hù)、報(bào)警信息顯示、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)定等。設(shè)備操作系統(tǒng)主界面如圖5所示，系統(tǒng)根據(jù)功能分成4個(gè)子菜單。

監(jiān)控界面主要監(jiān)控設(shè)備的主要執(zhí)行部件、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，還有設(shè)備的輸入／輸出I／O點(diǎn)。在監(jiān)控界面可以實(shí)時(shí)查看各個(gè)執(zhí)行部件及輸入／輸出I／O口的狀態(tài)，方便隨時(shí)檢修設(shè)備，快速查找故障原因。

在設(shè)備參數(shù)界面可以輸入?yún)?shù)，修改激光出光的距離D，以方便設(shè)備在不同速度下切割不同形狀極片，恒速切割伺服速度可以設(shè)定，同時(shí)顯示放料伺服、拖料伺服、恒速切割伺服實(shí)時(shí)速度。

圖5 鋰電池極片激光切割機(jī)顯示主界面

4 極片切割實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試切片機(jī)系統(tǒng)切割精度，激光切割距離黑色涂布層邊緣有3mm，目的是方便測(cè)試重復(fù)切割精度。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了600片，采用VMS－150F影像測(cè)量?jī)x測(cè)試。根據(jù)式（2）計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

平均值μ＝3.028 3，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.139 2。

表1 實(shí)驗(yàn)樣本概率分布 單位：%

5 結(jié)語

系統(tǒng)以嵌入式控制器為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服系統(tǒng)的高精度控制，通過I／O控制激光切割系統(tǒng)、極片收集系統(tǒng)、料盒換盒系統(tǒng)協(xié)同工作。該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠使鋰電池極片動(dòng)態(tài)切割機(jī)的切割精度滿足工藝要求。

［1］龐國(guó)安，岳喜順.基于PC／104的激光極耳成型機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（1）：65～68

［2］陳振翼.張力控制系統(tǒng)［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1988

［3］何勇，刁巖斌.漿紗機(jī)卷繞張力控制系統(tǒng)的改造［J］.毛紡科技，2004（11）：61～63

［4］劉芙蓉，甘朝暉，孫寶泰.中心卷取張力模型的探討與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000（3）：233～236