楊上華

（寧波倍特瑞能源科技有限公司，浙江 寧波 315000）

圓柱形堿錳電池涂布設(shè)計(jì)與封口改進(jìn)研究

楊上華

（寧波倍特瑞能源科技有限公司，浙江 寧波 315000）

堿錳電池的涂布封口裝配機(jī)為一種自動化程度高、復(fù)雜系數(shù)較大的機(jī)電一體化設(shè)備，用于對電池殼內(nèi)封口涂布以便于后續(xù)電池殼與負(fù)極的裝配。因?yàn)檫@一設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝過程較多，目前需要大量的進(jìn)口，但是國外研發(fā)的設(shè)備十分昂貴，難以被國內(nèi)中小企業(yè)接受。為此本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)控全自動堿錳電池涂布設(shè)備，其自動化程度較高、調(diào)整簡便。同時(shí)本文為適應(yīng)新的工藝與高速生產(chǎn)線的需求，對于封口設(shè)備的關(guān)鍵模塊與凸輪曲線開展改進(jìn)設(shè)計(jì)。

堿錳電池；涂布封口裝配機(jī)；電池殼

對于電池涂布設(shè)備，其具有的工作原理與過程如下：首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過功能鍵選擇電池的信號，輸入生產(chǎn)率參數(shù)，滾壓頭速度與傳輸鏈的速度等依據(jù)電池信號確定。生產(chǎn)之前開啟加熱按鈕，采用溫度調(diào)節(jié)控制設(shè)備，電池殼自動通過上料斗提供，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動上料設(shè)計(jì)落料的速度，落在自由托輥之間。在電池被送到滾壓頭入口位置，通過位置檢測傳感器發(fā)出信號，傳送鏈減速并準(zhǔn)停。滾壓頭在驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動下面依據(jù)恒定的速度傳動，帶動電池殼在兩個(gè)托輥之間變換。在涂布完結(jié)之后，傳送鏈啟動，將電池殼輸送到接料盒，同時(shí)進(jìn)入到下一個(gè)電池殼，開展循環(huán)作業(yè)。

1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 傳送鏈傳動系統(tǒng)

對于傳送鏈傳動模塊采用的為步進(jìn)電機(jī)直接的驅(qū)動鏈輪，帶動鏈條，鏈條的上面自由托輥直線移動，在經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整其移動速度。

1.2 自動上料傳動系統(tǒng)

自動上料通過料斗提供電池殼，通過步進(jìn)電機(jī)直接的驅(qū)動上料輪，其上料的速度通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)料輪的落料與傳送鏈?zhǔn)莾?nèi)聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，保證了料斗的上料速度與傳送鏈送料的速度互相匹配，其控制通過步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

1.3 滾壓頭的傳動系統(tǒng)

滾壓頭采用的調(diào)速電機(jī)直接開展，以便于調(diào)整涂布的工藝參數(shù)，在調(diào)整生產(chǎn)率或者是變換電池規(guī)格的時(shí)候來調(diào)整，進(jìn)而保證了涂布質(zhì)量與生產(chǎn)的實(shí)際要求。

1.4 涂布系統(tǒng)

對于涂布系統(tǒng)來說，分為供膠與涂膠兩個(gè)模塊，供膠采用的為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪泵來實(shí)現(xiàn)，供膠量利用調(diào)整電機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)。涂膠也是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動曲柄滑塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)涂膠嘴的往復(fù)運(yùn)動與延時(shí)等。對于步進(jìn)電機(jī)啟動通過的是位置傳感器發(fā)送控制信號，膠嘴復(fù)位之后，傳感器發(fā)出信號，啟動傳送鏈傳動系統(tǒng)。另外，如果常溫之下封口膠的黏度較大，需要進(jìn)行稀釋作業(yè)，為此在膠盒內(nèi)部含有加熱與保溫控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)與相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

對于控制系統(tǒng)來說采用的為單片機(jī)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器的功能為：首先步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動涂膠嘴擺動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪泵以及涂膠嘴的擺動等，調(diào)速電機(jī)驅(qū)動滾壓頭轉(zhuǎn)動，傳感器分析檢測電池殼是否到位，同時(shí)檢測涂膠嘴是否退出等。

2.2 主要的參數(shù)設(shè)計(jì)

其中含有的主要技術(shù)參數(shù)，最高的涂膠效率為600個(gè)/min，涂膠的厚度為0．1～0．2mm，電源的電壓為380V，電機(jī)輸出的總功率為1．5kW。

涂膠運(yùn)動的關(guān)系如圖1所示。

圖1 涂膠運(yùn)動的關(guān)系圖

在圖1中，V1是傳送鏈的行進(jìn)速度，V2為滾壓頭的線速度，V3為電池的圓周線速度，L是電池的間距，Z1上料齒輪數(shù)，Z2傳送的齒輪個(gè)數(shù)，D表示電池的直徑，D1為電滾壓輪的直徑。如果設(shè)定的生產(chǎn)率為N個(gè)/min，電池殼與滾壓頭之間是純滾動。一個(gè)涂膠循環(huán)周期是T，那么T=60/N，依據(jù)節(jié)拍的劃分，定義料盒傳送的時(shí)間為t1，等待涂膠時(shí)間為t2，則含有T=t1+t2。

對于上料的速度將其控制參數(shù)，上料輪轉(zhuǎn)速：

因?yàn)閭魉玩湹男羞M(jìn)速度為傳送鏈輪轉(zhuǎn)速以及傳送鏈分度圓半徑的乘積，也就是V1=4πR1/Z2=L/t1，其中的L為2倍的鏈條節(jié)距；電池圓周速度等于滾壓頭的線速度，也就是V3=V2，也就是涂膠時(shí)間t'內(nèi)滿足于需要的電池轉(zhuǎn)過3周，得到其滾過的長度為3π D，同時(shí)滿足的條件為Vt'/=3πD，通過分析上面的公式，得到滾壓頭的速度為：V2=3πD/t/'，滾壓頭的轉(zhuǎn)速ω液壓頭=2V2/D1=(6πD/t')/D1，rad/s。

涂膠嘴的動作時(shí)間也就是涂膠等待的時(shí)間t2，其中含有往復(fù)擺動時(shí)間t'1、t'2與涂膠時(shí)間t'，也就是t2=t'1+t'+t'2。涂膠嘴的往復(fù)擺動依據(jù)的步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)參數(shù)選擇，因?yàn)橥磕z嘴的擺動可以節(jié)省很多的時(shí)間，同傳送鏈停止的時(shí)間重合，為此t'1、t'2可以取值較小一些，但是涂膠時(shí)間應(yīng)該考慮涂膠嘴的啟動與停止的響應(yīng)，所以其中的t'的取值也會大很多。齒輪泵的工作時(shí)間等于其涂布的具體時(shí)間，其轉(zhuǎn)速也是依賴于電池的涂布量來調(diào)節(jié)。

3 封口技術(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

電池的卷邊工作原理如圖2所示。

圖2

對于半成品電池其在轉(zhuǎn)盤槽內(nèi)繞著主軸轉(zhuǎn)動，夾具將電池固定之后含有兩卷邊輪的主體在行星齒輪的帶動之下自轉(zhuǎn)同時(shí)圍繞著主軸轉(zhuǎn)動，卷邊主體在凸輪導(dǎo)軌的作用之下一邊自轉(zhuǎn)一邊將電池外殼擠壓，使得鋼外殼開口位置產(chǎn)生一定規(guī)律的變形，利用卷邊主體工作的行程進(jìn)行輕微的調(diào)節(jié)，使其滿足工藝的要求。如圖2所示，鋼殼在50°的時(shí)候開展卷邊操作，大約在120°的位置結(jié)束，鋼殼起始位置已經(jīng)夾緊，同時(shí)高度不變，卷邊主體在凸輪的作用下，通過滑套軸來定位，將鋼板擠壓，使得鋼殼出現(xiàn)塑性變形，卷邊輪在120°位置結(jié)束工作，開始同鋼外殼脫離。

依據(jù)工藝的需求，對于超薄鋼殼的卷邊總量大約是原來的1．5倍，為了使得兩道卷邊的工序尺寸適合，第一道卷邊的工作行程設(shè)計(jì)同第二道卷邊的工作行程設(shè)計(jì)依據(jù)其含有的受力均勻穩(wěn)定與卷邊工序能力來設(shè)計(jì)。因?yàn)殇摎さ拈_始工作的時(shí)候，其行程的產(chǎn)生變形阻力相對較小，為第二道卷邊打下了很好的基礎(chǔ)，同時(shí)還可以將第一道卷邊輪的R角設(shè)計(jì)比第二道更大，鋼殼在第一道卷邊之后，其含有的軸向與橫向都是會出現(xiàn)一定的預(yù)變形余量，進(jìn)而保證了第一卷邊時(shí)候承受的壓力與第二道卷邊的時(shí)候承受的壓力基本一致。為了使得卷邊之后的鋼殼開始位置端部無毛刺，需要將卷邊輪單邊加厚，使得卷邊輪工作的時(shí)候始終與鋼殼開口位置摩擦，我們將端面的毛刺去除。不過卷邊輪的厚度不能太厚，卷邊輪如果增加太厚會使得電池的正負(fù)級在執(zhí)行工序的時(shí)候出現(xiàn)短路的情況。

另外，為了減小鋼殼卷邊時(shí)候出現(xiàn)壓力過大的情況，使得卷邊更加的順滑，在現(xiàn)有封口機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)之下，對于圓柱凸輪曲線開展改進(jìn)設(shè)計(jì)，盡量的將凸輪的工作行程模塊的弧度增加，減少鋼殼在單位時(shí)間內(nèi)部出現(xiàn)的變形量。通過這種操作會使得第一道與第二道的卷邊工序執(zhí)行的時(shí)間更長，鋼殼卷邊之后的表面更加平整光滑，使得卷邊機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊的尺寸穩(wěn)定。這種的操作模式，也為封口工藝提升其生產(chǎn)速度打下了十分堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在鋼殼完成卷邊的工序之后利用轉(zhuǎn)盤傳送到拉伸機(jī)構(gòu)，鋼殼經(jīng)過卷邊的工序之后，其卷邊的外徑會變大，拉伸的操作可以將卷邊之后的鋼殼變大位置進(jìn)行壓縮，并使得鋼殼的開口部外徑與端面達(dá)到工藝的需求，使得鋼殼內(nèi)壁同極電體的密封圈密切的貼在一起，使得電池的密封性能以及防漏液性能大幅度提升，并使得電池達(dá)到規(guī)定的工藝尺寸與外觀要求。

對于鋼殼進(jìn)入拉伸部位轉(zhuǎn)盤，在下圓柱凸輪的作用下，使得桿組在下滑套的軸向定位之下，下桿組的頂銷向上將鋼殼頂入到拉伸模內(nèi)部，如果在鋼殼完成拉伸之后，通過上滑桿組將鋼殼從拉伸膜中頂出。為了使得拉伸工序的尺寸執(zhí)行可靠與穩(wěn)定，我們將拉升部位之下的凸輪工作段弧度范圍增加，同時(shí)對于拉伸膜進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得半成品電池在完成拉伸工序的每一個(gè)工作段受力基本一致，避免鋼殼薄弱位置出現(xiàn)塑性變形，提升電池拉伸工序的穩(wěn)定程度。

為了降低鋼殼在卷邊與拉伸的時(shí)候出現(xiàn)任何的摩擦力，提升卷邊與拉伸工序的質(zhì)量與穩(wěn)定性能，延長模具的使用壽命等，對于一道卷邊前需要將鋼殼卷邊位置適當(dāng)?shù)脑黾右恍├煊?，鋼殼會將這些拉伸油帶入到卷邊模與拉伸模中，使得卷邊模與拉伸模構(gòu)成一層薄薄的保護(hù)層，降低了模具工作時(shí)候具有的摩擦力。不過需要控制好加油的數(shù)量，如果加太多的話會使得拉伸油污染電池的外殼，同時(shí)還是會給下一道的電池制作留下麻煩，甚至?xí)捎陔姵乇砻嫣饣M(jìn)而無法的貼標(biāo)簽。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控涂布方案是可行的，同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，這一數(shù)控涂布機(jī)的研制成功對自動包裝行業(yè)的發(fā)展具有積極的作用。同時(shí)改進(jìn)之后的電池封口技術(shù)施工工藝可靠穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低，適合大面積的推廣與使用。

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1671-0711（2017）09（上）-0099-03