提高激光技術(shù)在鋰電池制造領(lǐng)域的技術(shù)水平，成為目前各個廠家研究的重點(diǎn)

為了解決日益突顯的能源、環(huán)保問題，新能源行業(yè)越來越受到世界各國的關(guān)注。鋰電池行業(yè)作為國家重點(diǎn)扶持新能源項目發(fā)展較為迅速。近兩年，中央和地方各項扶持政策協(xié)同效果逐漸顯現(xiàn)，我國的新能源汽車市場出現(xiàn)了超預(yù)期發(fā)展和增長，并帶動了產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的高速增長尤其是鋰電池行業(yè)， 隨著新能源汽車銷量的進(jìn)一步提高，業(yè)內(nèi)預(yù)計，2018年鋰電池或?qū)⑦M(jìn)入供應(yīng)緊張的階段，強(qiáng)烈的需求對鋰電池的產(chǎn)品技術(shù)、工藝、性能提出了更高的要求，更進(jìn)一步凸顯了產(chǎn)能的不足。目前國際上大多采用先進(jìn)的激光焊接技術(shù)對鋰電池的電池芯及保護(hù)板進(jìn)行焊接。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，大力發(fā)展高端制造技術(shù)，如何提高激光技術(shù)在鋰電池制造領(lǐng)域的技術(shù)水平、如何升級優(yōu)化激光焊接設(shè)備的整體性能，成為目前各個廠家研究的重點(diǎn)。在運(yùn)動平臺部分，直線電機(jī)相較于滾珠絲桿有更優(yōu)的動態(tài)性能，更精密的定位精度及重復(fù)定位精度，更高的穩(wěn)定性，更低的維護(hù)成本。用直線電機(jī)傳動平臺替換滾珠絲桿運(yùn)動平臺已成為必然趨勢。

激光焊接是一個將正負(fù)極材料、隔膜和電解液等原材料化零為整的融合制造過程，是整個鋰電池生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工藝。激光焊接是利用激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度等特點(diǎn)來進(jìn)行工作的。激光焊接有以下特點(diǎn)：激光功率密度高，可以對高熔點(diǎn)、難熔金屬或兩種材料進(jìn)行焊接;聚焦光斑小，加熱速度快，作用時間短，熱影響區(qū)域小，熱變形可忽略；激光焊接屬于非金屬焊接，無機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形；激光焊接裝置易于計算機(jī)聯(lián)機(jī)，能精確定位，實(shí)現(xiàn)自動焊接。鋰電池模組通過高效精密的激光焊接可以大大降低接觸電阻，降低能耗，提高電池的安全性、可靠性和使用壽命。但激光焊接要求焊件裝配精度高，且要求激光束在工件上的位置不能有顯著偏移。若焊件裝配精度以及激光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾，影響焊接質(zhì)量。激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)以及鋰電池的結(jié)構(gòu)性能對激光焊接設(shè)備的運(yùn)動平臺提出了更高更精密的要求。

直線電機(jī)的本質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)平放展開并直接連接到驅(qū)動負(fù)載上。它能替代例如滾珠絲杠、齒條與齒輪、皮帶與皮帶輪和減速箱的所有機(jī)械傳動部分，從而消除了齒隙以及與機(jī)械傳動相關(guān)的問題。具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、動態(tài)性能優(yōu)良、定位精度高、安全可靠、運(yùn)行噪聲低、無磨損、免維護(hù)以及無限行程等優(yōu)點(diǎn)。

靈猴雙軸聯(lián)動直線電機(jī)平臺加速度可達(dá)5g、重復(fù)定位精度可達(dá)1μm并且在深度優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特自主編寫控制算法，跟蹤檢測速度波動，并作出后續(xù)補(bǔ)償，使雙軸直線電機(jī)在高速度走曲線小圓弧運(yùn)動條件下，速度波動在3%以下，軌跡偏差更是在微米級別。完全滿足鋰電池激光焊接對平臺精度、加速度、速度等性能的要求。

日前有某激光焊接設(shè)備廠商客戶的設(shè)備運(yùn)動平臺采用的是絲桿模組，但在其加速度為1g、速度提到100mm/s時其設(shè)備的焊接質(zhì)量將無法保證，現(xiàn)需求雙軸聯(lián)動直線電機(jī)平臺以替代絲桿平臺模組并明確要求提供包括圓弧轉(zhuǎn)角在內(nèi)的跟隨誤差測試報告，但該客戶對直線電機(jī)運(yùn)動平臺并不了解，故向我公司尋求解決方案。

經(jīng)過與客戶的數(shù)次技術(shù)交流，在完全理解掌握客戶設(shè)備的特性信息后設(shè)計了初版雙軸聯(lián)動直線電機(jī)運(yùn)動平臺模組，但是其要求的運(yùn)動平臺的運(yùn)動軌跡的圓弧轉(zhuǎn)角要求較小，且其速度及精度要求較高，經(jīng)過我司對雙軸聯(lián)動直線電機(jī)平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，定制化編寫算法控制上下兩軸的耦合，經(jīng)過詳細(xì)的系統(tǒng)測試，最終滿足客戶的需求，升級優(yōu)化了客戶的激光焊接設(shè)備，使其設(shè)備的焊接速度、精度以及穩(wěn)定性在同行業(yè)處于領(lǐng)先地位。

客戶要求如下：

直線電機(jī)需求表

客戶名稱： 某激光焊接設(shè)備集成 運(yùn)用行業(yè)： 鋰電池激光焊接

聯(lián)系人電話： 電子郵箱：

運(yùn)動

軸運(yùn)動方式 ：□水平 √ □垂直

速度規(guī)劃曲線：□1/3-1/3-1/3梯形波 √ □1/2-1/2三角形波

總的運(yùn)動行程： 上軸270mm、下軸300mm mm

總的運(yùn)行時間： 1.8s s

最大運(yùn)行速度： 0.5 m/s

最大運(yùn)行加速度： 3g m/s2

負(fù)載重量： 30 kg

精度

定位精度： ±5 μm

重復(fù)定位精度： ±1 μm

分辨率： 0.1 μm

放大器和電源

最大電流： 6.3 A

電壓： 220 VAC □50 Hz √ □60Hz

使用環(huán)境

環(huán)境溫度： 室溫 ℃

最大允許溫升： 130 ℃

是否在無塵環(huán)境中： □是 √ □否

是否允許水冷或空氣冷卻：□是 □否 √

是否是真空環(huán)境： □是 √ □否

硬件總體設(shè)計及驗證

雙軸聯(lián)動直線電機(jī)運(yùn)動平臺主要由：直線電機(jī)、檢測反饋、驅(qū)動控制，防護(hù)裝置四部分組成。該運(yùn)動平臺選用無鐵芯直線電機(jī)，運(yùn)動平滑無齒槽力；檢測反饋由光柵或磁柵、霍爾、溫控組成；此平臺模組選用的是高創(chuàng)驅(qū)動器，防護(hù)裝置由風(fēng)琴防護(hù)罩、高性能拖鏈、光電傳感器、優(yōu)力膠硬限位組成，充分保護(hù)運(yùn)動平臺的安全可靠性。模型效果如圖2所示：

圖1：雙軸聯(lián)動模組模型

雙軸聯(lián)動直線電機(jī)主要性能參數(shù)如圖3所示：

圖2：雙軸聯(lián)動模組性能參數(shù)

根據(jù)客戶設(shè)備的運(yùn)動特點(diǎn)及軌跡，為保證客戶設(shè)備在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性及可靠性，我們多次做了過需求驗證并出具了相關(guān)的驗證報告，運(yùn)動平臺的各項參數(shù)均符合客戶需求，并做了相當(dāng)于設(shè)備連續(xù)運(yùn)行1.5年的耐疲勞測試，各項參數(shù)均無異常。

經(jīng)過多次技術(shù)交流、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、測試驗證，靈猴雙軸聯(lián)動直線電機(jī)運(yùn)動平臺僅在兩周的時間就達(dá)到了客戶的要求，滿足了交付條件并實(shí)時在客戶現(xiàn)場調(diào)試安裝，直到客戶設(shè)備完全出貨，我們還積極跟蹤我司產(chǎn)品在客戶設(shè)備終端的運(yùn)行狀況以及各項數(shù)據(jù)，實(shí)時為客戶設(shè)備提供可靠性報告。

該客戶“非標(biāo)私人訂制”的雙軸聯(lián)動直線電機(jī)運(yùn)動平臺模組上下兩軸均采用自主研發(fā)的BUM系列無鐵芯直線電機(jī)，該系列直線電機(jī)具有高推力、低運(yùn)動質(zhì)量、無齒槽效應(yīng)、無磁吸力等特點(diǎn)，特別是在走曲線圓弧軌跡時，可實(shí)現(xiàn)高速度小圓弧轉(zhuǎn)角下的低速度波動。在使用了雙軸聯(lián)動直線電機(jī)運(yùn)動平臺后，使其焊接速度提高50%，提高了其圓弧轉(zhuǎn)角處的焊接質(zhì)量，升級優(yōu)化了客戶整體設(shè)備的性能，提高客戶設(shè)備銷量的同時也增加了直線電機(jī)模組的銷量，真正實(shí)現(xiàn)了雙贏價值。

直線電機(jī)平臺模組除上述應(yīng)用外，還有在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用的超薄十字蛇形運(yùn)動平臺模組，其整體尺寸大小僅有圓珠筆大小；在3C行業(yè)中的視覺檢測以及點(diǎn)膠平臺上的快速移動的四軸聯(lián)動直線電機(jī)模組；在機(jī)床以及快速搬運(yùn)行業(yè)的LPS系列單軸平臺模組；可以完全直接替換絲桿的SP標(biāo)準(zhǔn)系列單軸平臺模組等等。

隨著制造行業(yè)越來越苛刻的要求，現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備向著高速度、高精度、快響應(yīng)、大行程的趨勢發(fā)展。這必然要求一個反應(yīng)靈敏、高速、輕便的驅(qū)動系統(tǒng)，由于傳統(tǒng)的進(jìn)給方式—“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+ 滾珠絲杠”需要聯(lián)軸器、絲杠等中間傳遞環(huán)節(jié)，造成整體系統(tǒng)剛性不夠、彈性變形嚴(yán)重，又因為該“間接傳動”中絲杠精度很難提高、存在反向間隙等缺點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)無法達(dá)到上述要求。相對而言，直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、無接觸、無磨損等優(yōu)點(diǎn)，并在精度、重復(fù)定位精度、剛度、工作壽命等其他性能指標(biāo)上都優(yōu)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。其主要推廣與高速、高精等旋轉(zhuǎn)電機(jī)無法滿足要求的場合?，F(xiàn)代直線電機(jī)技術(shù)日益成熟，其勢必取代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+ 絲杠”的傳動模式。