鋰電池打包機整形定位和拉膠帶結構的設計

朱江濤，黃 永

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

近年來，隨著國家節能環保政策的不斷推出，鋰電在節能環保領域的應用越來越廣泛，越來越受到重視，純鋰電動力汽車，混合動力汽車也開始貼近我們的生活。受到政策和市場的雙重刺激，鋰電企業也開始遍地開花，工藝技術水平突飛猛進，自動化程度也越來越高[1]。但鋰電池電芯極組的組裝打包一直處于手工狀態，而且手工打包的質量和效率都不高。于是研制了鋰電池打包機，該設備用于完成動力鋰電池電芯極組的自動包膠帶。

1 鋰電池打包機工作原理及工作流程

鋰電池打包機的作用是根據工藝要求，用專用膠帶將成組疊放的電芯打包成一個整體電池，如圖1所示。極組通過同步帶方式進行上料；極組包膠帶采用輥輪直線運動方式實現。手工將極組排列在同步帶上，由同步帶將極組傳送到推料位置進行上料。設備通過推料機構將成組極組送至整形定位機構，整形后壓緊，再送入輥輪組封邊傳送機構完成極組四面包膠及底部折貼；包好膠帶的極組依次下料。由于在設計中采用了大量的可調行程機構，所以該設備可以滿足不同規格鋰電池電芯的打包要求。其打包流程如圖2所示。

圖1 電芯極組和打包后的電池

圖2 打包工作流程

2 鋰電池打包工藝要求及打包難點分析

由于客戶方生產工藝的改變，要求設備的打包精度和表面平整度大幅度提高。打包精度即打包后電池的橫縱向尺寸誤差小于0.4 mm，電芯之間的跑偏精度小于0.4 mm。表面平整度即打包后電池的膠帶面光滑，無褶皺，無氣泡現象發生。單體電芯一般為卷繞，熱壓后的電芯，其材質比較柔軟，外形略微膨脹，外層隔膜十分光滑。疊放起來的電芯極組，其層間摩擦力很小，所以在打包過程會發生錯位現象，再加上其材質柔軟，外形膨脹，造成整形不齊，達不到打包后的尺寸精度。而表面平整度是由于拉膠帶過程不平穩，每次拉膠帶接觸點不一致造成的，會產生抖動現象。要解決上述問題，必須重新設計整形定位和拉膠帶結構。

3 整形定位和拉膠帶結構的設計

3.1 整形定位部件的設計

整形定位部件的結構設計如圖3所示，整形定位部件由極耳側定位、定位擋板、擋柱、支撐輥輪組、上料推桿5部分組成。上料推桿將電芯極組推至定位擋板并靠緊，這樣完成電芯極組兩個側邊寬度方向上的定位，然后極耳側定位推塊推動電芯極組至擋柱位置并靠緊，完成電芯極組底邊和極耳側邊長度方向上的定位。這樣電芯極組就被固定在相應的尺寸偏差范圍內，等待下一步打包工序。所以整形定位精度直接影響著打包精度，而整形定位的精度則主要取決于極耳側的定位精度、擋板的垂直度（相對于基板）、擋柱的垂直度（相對于基板）、上料推桿的平行度（相對于基板）。定位擋板的垂直度和擋柱的垂直度以及上料推桿的平行度可以在機械圖紙和加工裝配中嚴格要求，但極耳側的定位精度則取決于自身結構特點，這也是設計的側重點。

圖3 整形定位部件結構

舊的極耳側定位部件采用無桿滑臺氣缸加直線軸承導向的結構，在定位過程中存在定位塊晃動，造成電芯極組定位不齊，達不到需要的定位。而新的結構采用一個單桿雙作用氣缸作為動力，兩個加長直線帶座軸承和兩根光軸做導向，一個Z型滑臺和兩個夾持調整器做上下前后行程調整。這樣的結構能保證定位塊在運動過程中始終垂直于電芯極組的極耳側定位面，定位精度高而且不會發生晃動，出力穩定。如圖4所示。

圖4 極耳側整形定位設計

3.2 拉膠帶部件的設計

拉膠帶部件的結構直接關系著打包后鋰電池膠帶表面的平整度。其結構非常重要，舊結構多為氣缸組合上下前后運動，上下運動定位靠機械硬限位。這樣的結構調整起來比較麻煩，且都為氣缸，氣缸運動的平穩性，精確性都受到氣壓、氣流、負載變化的多重影響[2]，而且當前后運動氣缸伸出時懸臂較長，所以拉膠帶會產生“呲呲”的微停頓聲音，且膠帶不平整，褶皺較大。考慮到上述問題，必須對氣缸型拉膠帶結構進行模擬計算，驗證該結構是否能符合負載、速度、加速度、行程、壽命等方面的要求。首先對氣缸結構進行力學分析，模擬出其受力系統簡圖，如圖5所示。整個系統的負載質量為3 kg，拉膠帶速度為200 mm/s，加減速度為3 000 mm/s2，偏心距離（拉膠帶受力重心距氣缸中心的距離）為180 mm，行程為200 mm，氣缸（機械式滑臺）缸徑為32 mm。然后根據該型號氣缸在200 mm/s速度情況下的的動態負載表可以看出：該氣缸動態負載隨著偏心距的增大而急劇減小。如圖6所示，其在偏心距為180 mm的地方，負載約等于1.8 kg，小于負載質量(3 kg)，不符合此速度下工作運行，所以才會在拉膠帶過程產生抖動，拉力不穩定，效果不佳。所以此處不宜選用氣缸。

圖5 氣缸受力簡圖

圖6 質量—外伸量動態負載表

綜上所述，擬采用步進電機直接驅動直線定位平臺（也稱單軸機器人）[3]帶動氣爪和夾膠帶手指上下運動的方式，來執行拉膠帶動作。簡單受力結構如圖7所示。根據樣本手冊的簡易選型圖表[3]（圖8所示）可以看出拉膠帶速度為200 mm/s時，LEFS25A-12/步進電機型的直線定位平臺可搬運4.5 kg的工件，大于系統負載質量3 kg，符合要求。然后根據伸出量-工件質量驗證圖表（圖9所示）可以看出懸臂為180 mm，加減速度為3 000 mm/s2的LEFS25A-12/步進電機型直線定位平臺可以運送10 kg以上的工件，符合要求。故選此直線定位平臺。具體設計如圖10所示，這樣拉膠帶的起停位置準確，無過沖現象，動作比較平穩，而且行程調節方便，也減小了懸臂。

圖7 直線平臺受力簡圖

圖8 速度-質量選型圖

圖9 伸出量-工件質量驗證表

圖10 拉膠帶部件結構設

4 結束語

將設計改進后的整形定位部件和拉膠帶部件應用在現有的鋰電池打包機上，打包精度和表面平整度明顯提高，設備運行狀況良好，目前已批量生產多臺并投入使用。鋰電正處于高速發展階段，但設備的國產化、自動化程度還比較低，鋰電池打包機正是在這種環境下研制成功，該設備填補了國內鋰電打包領域的空白，整機性能優越，為后續鋰電池自動裝配線的研發打好了基礎。

[1] 郎鵬，任劍.發展我國鋰離子動力電池關鍵工藝設備思考[J].電子工業專用設備，2009，38(11):23-26.

[2] SMC氣動元件（SMC樣本）[Z].中文第五版.CAT.C01-4L

[3] MISIM單軸機器人選型手冊（樣本）[Z].2011