锂电池打包机整形定位和拉胶带结构的设计

朱江涛，黄 永

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

近年来，随着国家节能环保政策的不断推出，锂电在节能环保领域的应用越来越广泛，越来越受到重视，纯锂电动力汽车，混合动力汽车也开始贴近我们的生活。受到政策和市场的双重刺激，锂电企业也开始遍地开花，工艺技术水平突飞猛进，自动化程度也越来越高[1]。但锂电池电芯极组的组装打包一直处于手工状态，而且手工打包的质量和效率都不高。于是研制了锂电池打包机，该设备用于完成动力锂电池电芯极组的自动包胶带。

1 锂电池打包机工作原理及工作流程

锂电池打包机的作用是根据工艺要求，用专用胶带将成组叠放的电芯打包成一个整体电池，如图1所示。极组通过同步带方式进行上料；极组包胶带采用辊轮直线运动方式实现。手工将极组排列在同步带上，由同步带将极组传送到推料位置进行上料。设备通过推料机构将成组极组送至整形定位机构，整形后压紧，再送入辊轮组封边传送机构完成极组四面包胶及底部折贴；包好胶带的极组依次下料。由于在设计中采用了大量的可调行程机构，所以该设备可以满足不同规格锂电池电芯的打包要求。其打包流程如图2所示。

图1 电芯极组和打包后的电池

图2 打包工作流程

2 锂电池打包工艺要求及打包难点分析

由于客户方生产工艺的改变，要求设备的打包精度和表面平整度大幅度提高。打包精度即打包后电池的横纵向尺寸误差小于0.4 mm，电芯之间的跑偏精度小于0.4 mm。表面平整度即打包后电池的胶带面光滑，无褶皱，无气泡现象发生。单体电芯一般为卷绕，热压后的电芯，其材质比较柔软，外形略微膨胀，外层隔膜十分光滑。叠放起来的电芯极组，其层间摩擦力很小，所以在打包过程会发生错位现象，再加上其材质柔软，外形膨胀，造成整形不齐，达不到打包后的尺寸精度。而表面平整度是由于拉胶带过程不平稳，每次拉胶带接触点不一致造成的，会产生抖动现象。要解决上述问题，必须重新设计整形定位和拉胶带结构。

3 整形定位和拉胶带结构的设计

3.1 整形定位部件的设计

整形定位部件的结构设计如图3所示，整形定位部件由极耳侧定位、定位挡板、挡柱、支撑辊轮组、上料推杆5部分组成。上料推杆将电芯极组推至定位挡板并靠紧，这样完成电芯极组两个侧边宽度方向上的定位，然后极耳侧定位推块推动电芯极组至挡柱位置并靠紧，完成电芯极组底边和极耳侧边长度方向上的定位。这样电芯极组就被固定在相应的尺寸偏差范围内，等待下一步打包工序。所以整形定位精度直接影响着打包精度，而整形定位的精度则主要取决于极耳侧的定位精度、挡板的垂直度（相对于基板）、挡柱的垂直度（相对于基板）、上料推杆的平行度（相对于基板）。定位挡板的垂直度和挡柱的垂直度以及上料推杆的平行度可以在机械图纸和加工装配中严格要求，但极耳侧的定位精度则取决于自身结构特点，这也是设计的侧重点。

图3 整形定位部件结构

旧的极耳侧定位部件采用无杆滑台气缸加直线轴承导向的结构，在定位过程中存在定位块晃动，造成电芯极组定位不齐，达不到需要的定位。而新的结构采用一个单杆双作用气缸作为动力，两个加长直线带座轴承和两根光轴做导向，一个Z型滑台和两个夹持调整器做上下前后行程调整。这样的结构能保证定位块在运动过程中始终垂直于电芯极组的极耳侧定位面，定位精度高而且不会发生晃动，出力稳定。如图4所示。

图4 极耳侧整形定位设计

3.2 拉胶带部件的设计

拉胶带部件的结构直接关系着打包后锂电池胶带表面的平整度。其结构非常重要，旧结构多为气缸组合上下前后运动，上下运动定位靠机械硬限位。这样的结构调整起来比较麻烦，且都为气缸，气缸运动的平稳性，精确性都受到气压、气流、负载变化的多重影响[2]，而且当前后运动气缸伸出时悬臂较长，所以拉胶带会产生“呲呲”的微停顿声音，且胶带不平整，褶皱较大。考虑到上述问题，必须对气缸型拉胶带结构进行模拟计算，验证该结构是否能符合负载、速度、加速度、行程、寿命等方面的要求。首先对气缸结构进行力学分析，模拟出其受力系统简图，如图5所示。整个系统的负载质量为3 kg，拉胶带速度为200 mm/s，加减速度为3 000 mm/s2，偏心距离（拉胶带受力重心距气缸中心的距离）为180 mm，行程为200 mm，气缸（机械式滑台）缸径为32 mm。然后根据该型号气缸在200 mm/s速度情况下的的动态负载表可以看出：该气缸动态负载随着偏心距的增大而急剧减小。如图6所示，其在偏心距为180 mm的地方，负载约等于1.8 kg，小于负载质量(3 kg)，不符合此速度下工作运行，所以才会在拉胶带过程产生抖动，拉力不稳定，效果不佳。所以此处不宜选用气缸。

图5 气缸受力简图

图6 质量—外伸量动态负载表

综上所述，拟采用步进电机直接驱动直线定位平台（也称单轴机器人）[3]带动气爪和夹胶带手指上下运动的方式，来执行拉胶带动作。简单受力结构如图7所示。根据样本手册的简易选型图表[3]（图8所示）可以看出拉胶带速度为200 mm/s时，LEFS25A-12/步进电机型的直线定位平台可搬运4.5 kg的工件，大于系统负载质量3 kg，符合要求。然后根据伸出量-工件质量验证图表（图9所示）可以看出悬臂为180 mm，加减速度为3 000 mm/s2的LEFS25A-12/步进电机型直线定位平台可以运送10 kg以上的工件，符合要求。故选此直线定位平台。具体设计如图10所示，这样拉胶带的起停位置准确，无过冲现象，动作比较平稳，而且行程调节方便，也减小了悬臂。

图7 直线平台受力简图

图8 速度-质量选型图

图9 伸出量-工件质量验证表

图10 拉胶带部件结构设

4 结束语

将设计改进后的整形定位部件和拉胶带部件应用在现有的锂电池打包机上，打包精度和表面平整度明显提高，设备运行状况良好，目前已批量生产多台并投入使用。锂电正处于高速发展阶段，但设备的国产化、自动化程度还比较低，锂电池打包机正是在这种环境下研制成功，该设备填补了国内锂电打包领域的空白，整机性能优越，为后续锂电池自动装配线的研发打好了基础。

[1] 郎鹏，任剑.发展我国锂离子动力电池关键工艺设备思考[J].电子工业专用设备，2009，38(11):23-26.

[2] SMC气动元件（SMC样本）[Z].中文第五版.CAT.C01-4L

[3] MISIM单轴机器人选型手册（样本）[Z].2011