動力鋰離子電池激光切片機系統設計

李俊杰 劉宇斐

（廣州中國科學院工業技術研究院，廣東 廣州511458）

0 引言

伴隨新能源汽車的不斷發展，作為新能源汽車產品中最重要的部件——鋰離子電池的需求量也越來越大，當前動力電池的生產工藝還沒有較為成熟的技術，在可靠性、連續化、一致性、無污染等方面生產工藝正在不斷升級，其中最為關鍵的技術是正負極片的制備，它決定了電池質量［1］。傳統的生產是采用機械切割，極片的邊緣會產生毛刺，對電池的安全性造成影響，同時機械切割作用力的存在對極片也會產生不利影響。本文采用激光工藝來消除機械切割對極片產生的不利影響，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，動態切割、一次成型。機器前段勻速送料，中段采用激光打標軟件來輸入切割圖形，待切割的電池極片勻速經過激光振鏡（激光切割執行部件）時，振鏡按照輸入切割圖形高速切割極片。此套系統工作效率高，更換切割圖形無需換刀具，直接修改切割圖形即可，精準涂布，廢料少，只有少量鋁箔。

1 生產流程

分條好的極片上卷，從主放卷輥放出，經過拖料輥，最后通過糾偏系統傳送至激光飛切裝置。在此中間有兩個張力控制器來匹配前后電機由于放料卷半徑的變化產生的速度變化，自動糾偏器檢測微調極片邊線位置，在進入激光切割裝置之前，兩個正反轉除粉電機用來除去極片上的細微粉塵，保障極片的質量。設備中段為激光切割，色標傳感器檢測到信號之后，待極片恒速傳送到待切割區域，激光控制系統通過控制振鏡飛速運動改變出光路徑完成極片圖形切割，同時廢料去除裝置去除多余廢料，待后段傳感器檢測到加工完成的極片后，取料機械手動作，料盒主動接料處理并計數，待達到收集數值換料盒。圖1為鋰電池激光極片切割機工藝流程圖。

2 系統設計

本系統硬件采用了模塊化設計思路，設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，主控采用一個嵌入式工業運動控制器，激光切割系統采用專業的激光打標控制器，控制X、Y兩個自由度振鏡，讓激光光路在焦平面運動，切割待加工圖形，設備后段極片收集單元由抓料機械手和自動料盒轉換裝置組成。

激光切片機放卷示意圖如圖2所示，主放料電機驅動料卷主動放料，料帶在張力輥上摩擦產生張力，張力的大小隨擺輥擺角變化。張力傳感器A測量擺輥的角度，輸出的電壓與檢測的張力成正比，張力的大小反饋前后電機的速度是否匹配。張力傳感器的電壓值與主放料電機轉速相乘作為放卷電機速度給定值。顯然，此控制系統屬于按擾動補償的張力開環控制系統，在系統擾動下（卷徑和主放料電機速度改變）張力發生變化。

圖1 鋰電池激光極片切割機工藝流程圖

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為未拉伸極片長度；l為拉伸極片長度；T0為張力初始值；V1為主放卷電機速度；V2為拖料電機速度。

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

由張力傳感器輸出0～5V電壓反饋，與初始比例閥設定值比較，通過PID調節，主機速度是PID調節值與主機速度值的結合，組成了張力的閉環系統。此系統通過實際運行能夠克服電機速度和卷徑變化等因素帶來的張力波動。

圖3 放卷恒張力控制系統框圖

3 系統軟件架構

3.1 嵌入式控制器功能分析與設計

根據設備工藝流程來分析PLC的功能并進行設計：（1）恒速飛切電機的控制：通過中間的張力傳感器帶動拖料電機運動，保障激光切割區域料帶恒速，實現恒速送料。（2）主動放料電機的控制：放料電機啟動，跟隨前面拖料電機的速度，根據張力傳感器來調整放料的轉速，實現平穩放料。（3）激光飛切單元控制：主要是色標傳感器檢測到切割信號，經過一段固定距離傳送至激光切割區域，這個距離的計算是通過比較電機編碼器的值來實現，出光信號通過I／O輸出，激光飛切控制卡觸發激光器去執行。（4）廢料除去單元控制：色標傳感器檢測到切割信號，待極片傳送至切割區域，等待極片切割完成的一瞬間，廢料除去電機啟動，通過撥桿打掉廢料。（5）極片收集單元控制：傳感器檢測到極片加工完成之后，啟動取料機械手去抓取極片，并且通知收料盒準備接料。

3.2 程序主要實現的功能

嵌入式控制器CPAC－OctoBox主要負責伺服系統的驅動，包括控制放料電機、拖料電機、恒速切割電機，放料電機卷徑的變化轉化成張力的變化，通過張力模擬量的變化直接轉換控制前后電機的線速度變化，實現對系統激光切割的恒速送料，通過I／O啟動激光切割系統、廢料去除系統、機械手取料系統。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序總體流程圖

3.3 可視化界面的設計

系統選用的是eView觸摸屏，主要實現以下功能：設備系統的監控、調試維護、報警信息顯示、設備運行參數設定等。設備操作系統主界面如圖5所示，系統根據功能分成4個子菜單。

監控界面主要監控設備的主要執行部件、運行狀態參數，還有設備的輸入／輸出I／O點。在監控界面可以實時查看各個執行部件及輸入／輸出I／O口的狀態，方便隨時檢修設備，快速查找故障原因。

在設備參數界面可以輸入參數，修改激光出光的距離D，以方便設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定，同時顯示放料伺服、拖料伺服、恒速切割伺服實時速度。

圖5 鋰電池極片激光切割機顯示主界面

4 極片切割實驗統計

實驗測試切片機系統切割精度，激光切割距離黑色涂布層邊緣有3mm，目的是方便測試重復切割精度。實驗隨機統計了600片，采用VMS－150F影像測量儀測試。根據式（2）計算出標準差，實驗統計結果如表1所示。

平均值μ＝3.028 3，計算得到標準差σ＝0.139 2。

表1 實驗樣本概率分布 單位：%

5 結語

系統以嵌入式控制器為核心，采用模塊化設計，實現了對伺服系統的高精度控制，通過I／O控制激光切割系統、極片收集系統、料盒換盒系統協同工作。該系統達到設計要求，能夠使鋰電池極片動態切割機的切割精度滿足工藝要求。

［1］龐國安，岳喜順.基于PC／104的激光極耳成型機控制器設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（1）：65～68

［2］陳振翼.張力控制系統［M］.北京：紡織工業出版社，1988

［3］何勇，刁巖斌.漿紗機卷繞張力控制系統的改造［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］.系統仿真學報，2000（3）：233～236