一種鋰電池自動(dòng)貼膠機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)扶持的力度逐年加大，其核心能源領(lǐng)域-動(dòng)力鋰電池將進(jìn)入行業(yè)發(fā)展的高速期。相對(duì)于傳統(tǒng)能源電池，鋰電池具有能量密度高、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、重復(fù)利用率高等特點(diǎn)。目前，制造鋰電池主要采用兩種制造工藝，一種是卷繞，另一種是疊片，而制造大容量的新能源鋰電池往往采用疊片工藝。疊片鋰電池的核心部件-電芯的最后一道工序就是貼膠。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品的工藝水平、效率和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的手動(dòng)貼膠已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，所以研究高效、自動(dòng)的貼膠機(jī)是市場(chǎng)的迫切要求。本文著重介紹了一種基于PLC的鋰電池自動(dòng)貼膠機(jī)控制系統(tǒng)，并且對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

2.鋰電池自動(dòng)貼膠機(jī)的工作原理

鋰電池自動(dòng)貼膠機(jī)是具有自動(dòng)取料、貼膠、短路檢測(cè)和下料功能的全自動(dòng)包裝設(shè)備。

其工作原理是在自動(dòng)疊片機(jī)生產(chǎn)鋰電池電芯的同時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)備膠帶工作。該工序涉及到的具體步驟是壓膠、夾膠、拉膠、切膠和真空吸附五個(gè)過(guò)程。待疊片機(jī)生產(chǎn)出鋰電池電芯之后，取電芯機(jī)械手把疊片臺(tái)上的電芯取出，并且通過(guò)絲桿傳送到貼膠機(jī)下進(jìn)行貼膠。由于疊片工藝生產(chǎn)的電池體積比較大，貼一道膠帶往往達(dá)不到緊固電芯的目的，所以這里設(shè)計(jì)了貼三道膠工序。每貼一道膠之后，電芯移動(dòng)一段距離(該距離可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置)，同時(shí)自動(dòng)貼膠機(jī)進(jìn)行備膠帶工作，等備膠帶工作完畢和取電芯機(jī)械手停止之后，進(jìn)行貼膠工序，這樣反復(fù)三次。每貼一次膠，通過(guò)光電顏色傳感器檢測(cè)膠帶是否貼上，如果貼膠帶正常，則進(jìn)行下一道工序，如果貼膠帶不正常，則返回上一個(gè)貼膠位重新貼膠。貼膠帶工序完成之后，取電芯機(jī)械手運(yùn)送貼好膠帶的電芯到短路測(cè)試位，用短路測(cè)試儀進(jìn)行短路測(cè)試，如果合格則運(yùn)送到下料傳送帶下料，如果不合格則運(yùn)送到廢料箱下料。

3.電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型

在自動(dòng)貼膠機(jī)電控部分設(shè)計(jì)中，考慮到貼膠機(jī)的工序多，運(yùn)行復(fù)雜，而PLC具有可靠性高、控制功能強(qiáng)、編程方便、易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此本文作者采用可編程邏輯控制器作為其核心控制部件。該控制系統(tǒng)采用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的SYSMAC CP1H-XA40DT-D型號(hào)的PLC,該P(yáng)LC的CPU單元本體采用DC24V電源，DC24V輸入，晶體管漏極輸出，內(nèi)置輸入24點(diǎn)、輸出16點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)器4軸、脈沖輸出4軸?；局噶蠲坎?.1微秒，程序容量最大20K步，指令種類約400種，是一種功能強(qiáng)大的小型整體式PLC.由于其結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大以及性價(jià)比較高等特點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 硬件配置

系統(tǒng)的硬件配置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括CPU單元、輸入(光電位置開(kāi)關(guān)和貼膠有無(wú)檢測(cè)傳感器)、操作面板(觸摸屏和指示燈)、控制元件(伺服驅(qū)動(dòng)器和電磁閥)、執(zhí)行部件(伺服電機(jī)、直流電機(jī)、氣缸)等幾部分組成。取電芯電機(jī)設(shè)置左限位、右限位和原點(diǎn);拉膠氣缸、切膠氣缸和貼膠氣缸各有兩個(gè)光電位置開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)氣缸是否到位;貼膠有無(wú)檢測(cè)傳感器檢測(cè)每次貼膠的膠帶是否貼在電芯上。觸摸屏作為設(shè)備控制的操作界面，接受來(lái)自操作人員的操作指令并指示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，PLC和觸摸屏之間通過(guò)RS232通信電纜進(jìn)行通信。取電芯電機(jī)采用伺服電機(jī)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制;下料電機(jī)采用直流電機(jī);電磁閥采用兩位五通的電磁閥來(lái)控制氣缸的進(jìn)退。

3.3 輸入輸出點(diǎn)的分配

自動(dòng)貼膠機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程是由取料、貼膠、短路檢測(cè)、下料等幾部分組成的。自動(dòng)貼膠機(jī)的PLC輸入信號(hào)包括：?jiǎn)?dòng)、停止(做完一個(gè)循環(huán)停止)、急停、取電芯電機(jī)前限、取電芯電機(jī)原點(diǎn)、取電芯電機(jī)后限、取電芯電機(jī)報(bào)警、貼膠好壞檢測(cè)、短路檢測(cè)、拉膠氣缸出限、拉膠氣缸回限、切膠氣缸出限、切膠氣缸回限、貼膠氣缸出限、貼膠氣缸回限。輸出信號(hào)包括：取電芯電機(jī)正轉(zhuǎn)、取電芯電機(jī)反轉(zhuǎn)、下料電機(jī)正轉(zhuǎn)、下料電機(jī)反轉(zhuǎn)、取電芯氣缸電磁閥、壓膠帶氣缸電磁閥、夾膠帶氣缸電磁閥、拉膠帶氣缸電磁閥、切膠帶氣缸電磁閥、膠帶真空電磁閥、貼膠帶真空電磁閥、短路檢測(cè)氣缸電磁閥。

4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)貼膠機(jī)控制系統(tǒng)的程序由兩部分組成：一是觸摸屏程序，二是PLC程序。

4.1 觸摸屏程序

觸摸屏程序完成操作人員同PLC之間的對(duì)話，主要由自動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)操作三部分組成。其中自動(dòng)操作主要由啟動(dòng)、停止和急停三個(gè)按鈕組成，分別用來(lái)控制機(jī)器的啟動(dòng)、停止(做一個(gè)循環(huán)后停止)和出現(xiàn)緊急狀況后停止用;參數(shù)設(shè)定主要用來(lái)輸入第一道、第二道和第三道膠帶相對(duì)于取電芯電機(jī)原點(diǎn)的位置;手動(dòng)操作主要由氣缸手動(dòng)和電機(jī)手動(dòng)兩部分組成：氣缸手動(dòng)按鈕用來(lái)手動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)氣缸的進(jìn)退，電機(jī)手動(dòng)按鈕用來(lái)手動(dòng)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。本控制系統(tǒng)的觸摸屏采用步科公司生產(chǎn)的Eview MT510.[!--empirenews.page--]

4.2 PLC程序

自動(dòng)貼膠機(jī)的主程序流程圖如圖2所示，首先進(jìn)行初始化操作，取料電機(jī)回到原點(diǎn)，所有氣缸回到初始狀態(tài)。然后判斷電芯是否疊好，如果沒(méi)有疊好則繼續(xù)等待，如果疊好了，取電芯機(jī)械手取電芯到第一道貼膠位進(jìn)行貼膠，貼膠完畢后(貼膠氣缸回到初限位)，取料機(jī)械手取電芯到第二道貼膠位進(jìn)行貼膠，以此類推到第三道貼膠位貼膠完成。在此過(guò)程中每貼一道膠帶之后顏色傳感器進(jìn)行貼膠有無(wú)檢測(cè)，如果沒(méi)有檢測(cè)到膠帶則重新貼膠。貼完三道膠帶之后進(jìn)行電芯的短路檢測(cè)，如果電芯的正負(fù)極短路，則把電芯放入廢料盒，如果正負(fù)極絕緣性良好，則把電芯放到傳送帶上，同時(shí)啟動(dòng)傳送帶電機(jī)把電芯傳送到下一道工序。到此為止一個(gè)循環(huán)完畢，開(kāi)始下個(gè)循環(huán)，直到按下停止按鈕為止。

5.結(jié)語(yǔ)

本方案中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)貼膠機(jī)是根據(jù)客戶反映的疊片機(jī)生產(chǎn)出的電芯下料難、人工貼膠效率低以及沒(méi)有短路檢測(cè)功能而設(shè)計(jì)的。主要用于對(duì)前期疊片機(jī)的更新改造。根據(jù)客戶反饋的情況，達(dá)到了客戶的要求和預(yù)期設(shè)計(jì)效果，效率有了很大的提高，而且減少了人力，提高了自動(dòng)化水平，使鋰電池電芯加工工序全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而證實(shí)了本方案的實(shí)用性。