全自动电池卷绕机卷绕头的研究与设计优秀毕业论文.pdf

工学硕士学位论文 全自动电池卷绕机卷绕头的研究与设计 张兆波 哈尔滨工业大学 2007 年 12 月 内图书分类号：tp23 国际图书分类号：621 工学硕士学位论文 全自动电池卷绕机卷绕头的研究与设计 硕士研究生： 张兆波 导师： 李兵教授 副 导 师： 阳如坤 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 机械制造及其自动化 所 在 单 位： 哈尔滨工业大学深圳研究生院 答 辩 日 期： 2007 年 12 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tp23 u.d.c: 621 dissertation for the master degree of engineering research and design of the winding head of automative battery winding machine candidate: zhang zhaobo supervisor: prof. li bing associate supervisor: yang rukun academic degree applied for: master of engineering specialty: mechanical manufacture and automation affiliation: hit shenzhen graduate school date of defence: december, 2007 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘要 本课题针对国内外锂电行业形势和发展的弊端及需求，开发适合我国国 情的锂离子电池全自动卷绕机的核心机构。该机无论在生产规模上，生产 率，还是在卷出的产品质量上都会达到国内先进水平。将在未来的 35 年 内占据中国电池卷绕设备市场的主导。 机构具有三工位，两个卷绕头的特殊结构。卷绕工位完成电芯的基本卷 绕成型；收尾工位负责将切断后的隔膜贴胶带后，剩余的部分卷进电芯；抽 针卸料工位是通过两个气缸驱动机构抽针，利用气爪将卷绕成型的电芯取 下，放到传送带上。后卷绕头采用行星带轮传动，以实现卷针轴高速运转， 保证运动的可靠性，降低机器噪音。每换位一次，便生产出一个电芯，生产 效率可以达到 23s/p，这在国产设备中是处于领先水平。三根空心轴套合， 节省了空间，减少了质量。采用错位抽针,避免了抽针时隔膜带出的情况， 使产品的一致性得到保证。 设计机构构型并在 solidworks 中建立整机的 3d 模型，观察各部分 协调运动的情况，是否有干涉现象。将模型导入 adams 中仿真，简化模 型，添加约束和力，测量分析仿真得到的参数数据。对齿轮传动进行多目标 模糊可靠性优化，将由齿轮齿面间的摩擦考虑到齿面接触强度和齿根弯曲强 度计算中，作为优化的约束条件。利用 ansys 有限元分析软件建立支座和 卷针的有限元模型，并且根据实际的工作情况，分析他们的强度和刚度。 关键词关键词 卷绕头；行星带轮；adams 仿真；模糊可靠性；优化设计 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract aiming at the need of inland and abroad current situations, especially basing on the development abuse of homeland battery equipment, winding head being the core structure of li-ion battery full automation winding machine is developed to adapt to the national conditions of our battery equipment. it would reach an advanced level both on producing scale, efficacy and production quality in the homeland, and act a leading role of chinese battery winding equipment marketplace within 35 years in the future. the winding machine has three working positions and two winding heads. winding position make the electrode piece nearly be a core; the ending position has responsibility for pasting adhesive tape which has been cut down already, then winds them up; the needle-drawing position is to take out the needle from a core by using two cylinders, then pick the molding core by a finger cylinder and put it in transmission belt. a high rotating speed, reliability and a lower voice can be reached by adopting planetary belt driving to be the chief transmission. one transposition will product a core, it is a record-breaking that producing efficiency achieves 23s/p.the three concentric hollow shafts economize some space, and reduce some weight .needles are drawn out from two sides, this could avoid the case of septum pulled out, and ensure consistency of production. 3d model of the whole machine is designed and established for observing harmony motional instance of every part, whether it has interference or not, then it is imported into adams, simplified and applied restrictions and forces for simulation, parameters data are measured and analyzed. multipletarget fuzzy reliability optimal design was applied for improving gear transmission performance of this machine, considering tooth interfacial friction as a optimal condition for computing tooth surface contact intensity and tooth-root bending intensity. the intensity and stiffness of the support and winding needle are analyzed by using ansys. keywords winding head, planetary belt driving, adams simulation, fuzzy reliability, optimal design 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目录 摘要.i abstract. ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外锂电池自动卷绕设备的研究现状.2 1.2.1 国内外卷绕机的研究概况.2 1.2.2 半自动卷绕机和全自动卷绕机的对比.3 1.3 本课题研究内容.4 第 2 章 全自动卷绕机卷绕头结构设计.5 2.1 技术要求和设备工艺.5 2.2 卷绕头结构设计.6 2.2.1 后卷绕头单工位传动原理.7 2.2.2 后卷绕头结构设计.8 2.2.3 前卷绕头结构设计.12 2.3 机构整体 3d 视图.14 2.4 本章小结.15 第 3 章 卷绕头运动学与仿真分析.17 3.1 卷绕总圈数的分析.17 3.2 卷绕速度与极片补偿的分析.18 3.2.1 恒线速卷绕工况分析.18 3.2.2 恒转速卷绕工况分析.19 3.2.3 极片补偿分析.21 3.3 adams 仿真分析.22 3.3.1 虚拟样机模型的建立.23 3.3.2 机构仿真模型图.25 3.4 参数测量结果分析.26 3.5 本章小结.29 第 4 章 空心轴和齿轮的优化设计.30 4.1 空心轴的优化.30 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 4.2 普通直齿圆柱齿轮传动最优化设计.32 4.2.1 模糊优化数学模型的建立.32 4.2.2 变位系数的优化选择.38 4.3 本章小结.42 第 5 章 基于 ansys 的支座和卷针强度分析.43 5.1 支座强度分析.43 5.1.1 网格划分.43 5.1.2 载荷与约束的添加.45 5.1.3 计算结果分析.46 5.2 卷针强度分析.47 5.2.1 划分网格及载荷约束的添加.48 5.2.2 计算结果分析.49 5.3 本章小结.52 结论.53 参考文献.55 附录.59 攻读硕士学位期间所发表的论文.61 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.62 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.62 致谢.63 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题背景 全自动电池卷绕机是根据市场的需求和国内外的现状，尤其是针对国内电 池设备的发展的弊端，开发能适应国内市场需求的产品。完成后的全自动卷绕 机，无论在生产规模上、生产率，还是在产品的质量上都会达到国内先进水 平。将在未来的 35 年内占据中国电池卷绕设备市场的主导。 近几年来，中国锂离子电池产业化有了长足的进步，中国当前国家重点 鼓励发展的产业、产品和技术目录中，锂离子电池已被列为重点发展产品之 一。据统计，2005 年中国移动用户达到 3.2 亿户，全球移动用户达到 14 亿 户。以平均一部手机 1.8 块电池计算，2005 年需要 5.76 亿块，全球市场需要量 为 25.2 亿块。另外，手机电池的循环寿命为 300 至 500 次，用完了需要更换， 比手机的寿命短许多。因此，手机电池的市场巨大而且又稳定，极具持久力和 潜在力。2006 年随着笔记本电脑、数码相机、便携摄像机、音乐播放器，以及 电动车、小型家用电器等多种电子消费产品的继续走强，电池行业将呈现巨大 的应用潜力，锂电池成为行业发展的重心。2007 年市场上篮牙耳机的普及又为 电池设备生产厂家提出了新的要求，设备的需求量在短短的几个月内猛增，使 设备生产厂家供不应求。由于锂电池的稳定性好，已经应用到航空航天领域。 电池需求量增加，并且国内、国际上电池企业逐渐采用国产设备相应给电池生 产设备提供了广阔的市场及前景13。 我国的锂电池产业的企业，如深圳的比亚迪、比克、新能源、天津的力神 和哈尔滨光宇等国内的厂家都具有相当的规模。国内的电池企业，如比亚迪因 电芯卷绕工序有手工作业，因而制造电池的一致性很难保证，其电芯卷绕设备 部分也是采用国外进口，成本价极高；天津力神主要引进国外先进的自动化生 产线,另外建有具有自主知识产权和独特工艺特点的半自动化生产线。 锂离子电池目前仍是以日本生产商为主导。日本的电池依靠其先进的设备 及优良的配方和严格的制造工艺，因而性能较好。以日本全自动化的组装线来 看，锂离子电池生产良品率可达 95%以上，其生产效率、定位精度、自动化程 度等都较高；而大陆半自动化组装线的良品率约有(8085)%。目前，国内生产 锂离子电池电芯的厂家有 30 余家，年产锂电池电芯的能力超过 3 亿只。二线 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 锂离子电池制造商众多，生产的电芯大多性能不稳定,合格率低4,5。 随着我国电池及电子工业的发展，国产电池专用设备企业也随之不断发展 壮大，与国外设备相比，国产设备成本低，更适合国内电池生产企业发挥劳动 力低廉的优势。国内设备的操纵比较简便，易于掌握，设备结构普遍不复杂， 易于维修，维护，整体运营成本比较低约为国外产品价格的 1/31/10，便于尽 快收回固定资产投资。但是国产设备自动化和精度水平普遍偏低，成为应用和 进入市场的主要障碍。 我国的锂电生产设备技术不够先进。卷绕技术不及国外。因此，研究锂离 子电池全自动卷绕机，适应国家电池行业的发展需要，将有效的扩大二次锂离 子电池生产规模，降低生产成本，增强竞争能力，同时进一步提高电池性能， 容量、均匀性和稳定性、增加充放次数、增大充放电倍率、提高安全性等。这 将迅速改变我国产品结构不合理的问题，快速提升我国电池的产品档次，为我 国获得更大的市场，打下良好基础6,7。 总体展望，电池行业仍处于景气周期内，电池行业产品供应与销量将不断 增长。中国电池行业要适应市场的需求趋势与激烈竞争关键在于：进一步提高 电池的能量密度和安全环保性能、降低制造成本，研究开发新型的电极材料和 更轻、更薄的制造工艺。而全自动卷绕机的设计要主要着眼于加工精度，和产 品的一致性，实现高的良品率。国内锂电池行业兴起虽然只有 6 年左右的时 间，但通过积极学习国外技术，在此基础上大胆创新，与国外生产设备的差距 逐渐缩小。 1.2 国内外锂电池自动卷绕设备的研究现状 1.2.1 国内外卷绕机的研究概况 锂离子电池电芯目前仍是以日本生产商为主，他们的锂电芯卷绕技术比 较成熟，己实现全自动化，但是其设备的生产和维护成本很高。日本的电池设 备厂家也大量的生产半自动的卷绕机，适应国际市场。韩国三星 sdi，lg 的 锂电芯卷绕技术也相对成熟。 日本加藤机工公司开发的卷绕机有：半自动卷绕设备 bhw-1、bhw-2、 bhw-2r、bhw-sl、bhw-s2；其中，bhw-s 型可兼用于锂离子二次电池， 锂聚合物电池圆形、粗卷形、方形电芯的卷绕。卷绕速度标准 1020s/p；有任 意设定卷绕量的自动切面板，自动贴终止胶布；具备卷绕张力控制，可以任意 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 调节各种材料的反张力。该公司开发的锂离子二次电池的自动卷绕设备 bjr-ii 型，具备卷绕时的张力和反张力的调整控制机构，装有正负极片反张力的调节 筒移动检测系统机构来进行综合调整控制；采用边缘位置激光指示控制、反馈 控制和四处卷绕部的凸轮驱动机构，可平稳高速运转；装有电极端的贴保护胶 布机构；装备有触摸式屏幕，产品的卷绕长度等各种技术数据可数字式输入的 人机接口，卷绕速度为 510s/p，边缘位置管理范围在0.5mm 之内810。 在国内锂离子电池卷绕机生产厂家，生产的卷绕机有手动卷绕机，或者仿 进口设备来制造的半自动卷绕机。深圳市汇柏工业设备有限公司生产的锂离子 电池电芯卷绕的气动卷绕机，是仿进口设备，采用滑动式滚轮，适用范围广， 可以卷绕 aaa-d 型电池。七星华创已经成为国内最大、品种系列最全、配套 能力最强的二次电池专用设备制造商。x81-2-dz 型设备主要适用于 18650 圆 柱形等锂离子电池电芯的卷绕工艺，由于卷绕工艺精度要求较高，需自动化程 度高的设备与之相匹配，一直以来国内还没有此设备的制造商11。 1.2.2 半自动卷绕机和全自动卷绕机的对比 国内有些企业研究小型半自动电池卷绕，半自动的极片是通过手工将单片 的极片放在极板的滑道上，滑道的宽度可以调节，这样可以适用于不同宽度的 极片。市面上使用的半自动卷绕机，没有对极片的检测功能，卷绕时无法标记 出不合格的产品，只有在卷绕完毕之后，由专门的检测设备检验其自放电的性 能，这样就增加了检验所需的时间。采用结构非常简单的一个卷绕头，主卷针 是由一个伺服电机控制，副卷针由汽缸带动纵向的抽针。整个卷绕头安装在直 线导轨上，卷针的安装板又安装在另一个直线导轨上，这样由汽缸带动可以完 成横向和纵向的移动。通过汽缸的推动换位，依次完成卷绕，贴胶纸，切膜切 极片，抽针的全过程。电极极耳位置卷绕精度可以达到0.5mm，电极极片卷 绕偏移精度为0.3mm。卷绕时极片、隔膜纸跑偏误差不大于0.5mm。单一的 工作端，生产效率可以达到(25)ppm。 和半自动相比，全自动卷绕机采用三个工位，分别由一个伺服电机控制， 动作相对独立，两个卷绕头，两个卷绕工位并行完成不同的动作，换位抽针也 是与卷绕同时完成，卷偏误差在 0.3mm 以内，极耳内部对齐误差小于 1mm， 极片是成卷的，通过导辊传送，并且要通过极片的清洗和检测装置，检验极片 是否有缺陷，如果有缺陷，将做出标记，因此精度和一致性有很大提高。张力 可以调节，自动调整极片累计长度，实现连续卷绕。全自动卷绕机的速度和效 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 率相对于半自动会提高 27 倍，价格仅是进口全自动电池设备的 1/31/10，性 价比高，具有很高的市场竞争力。 锂离子电池电芯的卷绕是锂离子电池制作的关键。国产全自动卷绕机和国 外进口相比有很大的优势。首先其生产率不低于日本全自动设备，产品的良品 率随着自动检测极片设备和自动纠偏机构的加入可以达到 95%以上。其次，国 产设备生产厂家分工明确，由于国外的卷绕设备对与其相配套的卷绕工艺精度 要求较高，需要自动化程度高的设备与之相匹配，国内的相关配套设备无法与 其相容。再次，国外的设备维修困难，机器的配件很难买到合适的，国产的配 件不能很好的满足要求。一旦出现故障，超长的停机时间为生产厂家带来极大 损失。国产全自动卷绕设备切实的从我国电池设备的国情出发，生产出适合我 国电池行业发展的设备。 国内外研究工作主要是针对电池本身的研究，对电池生产设备的研发投入 的精力比较少。该设备极大的缩短了产品在线的传输时间，而且更换品种十分 方便避免了国内其他企业“一”字长阵的缺点，节约了大量的人力，同国外的 全自动组装线相比具有操作简单、维护方便、性价比高的优点。适合我国国情 的全自动卷绕设备的开发，是很有实际应用意义的，完成后在国内市场上将极 具竞争力12,13。 1.3 本课题研究内容 全自动电池卷绕机卷绕头的最大特色是：采用三轴卷芯卷绕成型机构来实 现卷绕成形、封口定型和自动退芯，在我国锂离子电池全自动卷绕成型生产的 技术领域中具有独创性。完成后的全自动卷绕成型样机集机械、电子、控制于 一体，实现了锂离子电池电芯的连续卷绕成型的全过程。 (1)由机构设计的基本要求，设计出机构的传动简图，并建立 3d 模型，细 化前后卷绕部分结构，使其满足工序要求。 (2)对机构做运动学分析，分析在满足工作端工作效率的前提下，动力传动 系统所需速度，加速度。 (3)利用 adams 进行设计机构的运动仿真，观察各部分协调运动情况， 测量并分析结果数据。 (4)优化机构中受扭情况最严重的空心轴尺寸；对齿轮采用模糊多目标优 化，在保证强度的前提下，使其达到最佳的运行状态。 (5)运用 ansys 分析支座和卷针的受力变形，检验其强度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 第2章 全自动卷绕机卷绕头结构设计 2.1 技术要求和设备工艺 (1)机构技术要求 两个卷绕头，三个电机固定；带错位抽针，抽针及错位 气缸固定；抽针错位可以联动，刚度足够；切换位置可靠；换位时间 2-3 秒， 换位重复定位精度 1 角分；换位不应有冲击。 (2)锂离子全自动卷绕机卷绕头的工艺流程 选择和拟定工艺流程是卷绕头 设计的第一阶段任务，工艺流程的合理与否直接影响所设计机构的结构、外形 尺寸，运动方式、工作效率和成品的质量。 具体工艺流程如图 2-1 所示。首先由极片传送机构将正负极片以及隔膜， 按照指定的顺序输送到卷绕工位左卷针右侧，气缸复位带动右卷针完成穿针。 这里涉及到卷针的设计。以圆柱电芯为例，要求卷针卷出圆形的电芯，两根卷 针旋转中心必须保证在同一条直线上，而且两根卷针之间的间隙要不小于两层 极片与两层隔膜的厚度和，而且穿针过程中不能压皱极片隔膜，所以将卷针设 计成具有一定的锥度的斜面。 完成穿针后，电机带动各传动零部件卷绕，这部分结构对同轴度的要求很 高，这是影响电芯均匀性、一致性的主要环节，卷绕的均匀性又会影响到后续 的入壳和注液，进而影响到电池的蓄电能力。 接下来是换位，由伺服电机驱动齿轮传动，带动卷绕头的主要传动部件转 动，回转零件总重量大，因此具有很大的转动惯量。利用伺服电机控制换位的 冲击，设定电机的启动和减速为线性变化，验证电机轴扭矩以防过载。 换位后，卷绕工位的电芯转到第二卷绕工位，即极片隔膜收尾工位。由于 极片隔膜有预紧张力，如果不在两边压紧，切断后，已经卷好的电芯就会出现 松卷现象，如果只有一端压紧，未压紧的一端受拉力，切断效果就不理想。 卷绕收尾是将切断后剩余的一段隔膜极片卷好，切断后先贴终止胶纸，迅 速完成收尾以防松卷，这个过程中由辊子压紧胶带。在收尾工位完成收尾卸料 之前，卷绕工位另一电芯已经完成卷绕动作。 第二次换位完成后，原收尾工位的电芯已经卷好，并到达抽针卸料工位。 此工位由气爪夹住电芯，两端分别有一个气缸带动前后卷针横向运动，完成抽 针动作，抽针速度保持一致，以确保受力均匀，隔膜不被带出。成品的电芯由 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 气爪放在传送带上，整体再一次换位，回到初始的卷绕工位，完成一次工作循 环1416。 图 2-1 卷绕机工艺流程图 fig.2-1 flow chart process of winding machine 2.2 卷绕头结构设计 以卷绕头的安装板为界，将卷绕头分成两部分，前卷绕头由前抽针机构、 两个驱动气缸以及支架、连接板构成。后卷绕头主要是机构的动力传动部分的 设计，由四个电机驱动齿轮传动和带轮传动，一个气缸完成抽针动作，另外有 卷针穿针 极片隔膜传送 一工位 卷绕 成型 二工位 卷绕 收尾 三工位 抽针 卸料 回 转 换 位 切 断 贴 胶 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 导向槽及部分安装板、连接件的设计。 首先排除了应用齿轮行星传动。在工作端从第一工位换位到第二工位后， 要完成压极片和切极片的动作，因此要留出一定的空间，如果用齿轮传动，要 满足的空间上的几何关系所需要的齿轮直径会很大，大的转动惯量会给机构带 来冲击和噪音。带轮传动可以实现高速传动，满足电芯卷绕速度要求，因此该 机构采用带轮传动。 2.2.1 后卷绕头单工位传动原理 单工位机构可以分解为两种机构运动，第一种是卷针在卷绕时，中心轮和 行星轮的啮合运动，行星架没有转动；第二种是整个卷绕头回转换位过程中， 行星轮的中心在回转机构上的相对位置固定，公转的同时，伴随着自转。单个 工位传动部分结构简图如图 2-2 所示。 图 2-2 单工位传动简图 fig.2-2 transmission sketch of single position 其中控制回转的传动需要带动的零部件多，转动惯量大，通过控制速度大 小来减小冲击振动，因此，采用齿轮传动以传递机构运行的转矩并承受回转体 转动惯量。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 后抽针气缸位置固定，当卷绕头转到抽针工位，plc 控制气缸伸出，带动 前抽针轴完成抽针。b1 和 b2、b3 和 b4 为两对带轮传动，用以实现高转速。 b2、b3 同心，中间由一根空心轴连接，电机 1 在卷绕时提供驱动力，在带轮 反转时，也起到反向锁紧的作用。图中双向箭头的位置代表一个花键轴承。当 电机 1 带动两对带轮转动时，b4 可以带动花键轴同时转动，即完成卷绕的动 作；当电机 1 停止转动，花键轴承做横向两个方向的运动，即抽针动作。g1、 g2 为一对齿轮传动，可以承受大的转矩17。 2.2.2 后卷绕头结构设计 (1)机构侧视图 如图 2-3 所示，三个卷绕头间隔 ? 120，相当于三套单轴的 机构合并在一起，连接中间带轮的轴采用三根空心轴套合，以节省空间。最内 的空心轴轴径最小，长度最长，受到工作端作用的扭矩大，需要进行强度的校 核。最后端的小带轮连接电机，实现电芯的卷绕，前端的小带轮连接花键轴， 带动抽针轴转动。 图 2-3 机构侧视图 fig.2-3 side-view of the machine (2)空心轴结构设计 机构特点：采用三个空心轴套和，各空心轴之间由轴 承支撑，可以满足单个卷绕头转动，其他两个保持静止的情况，也可以实现两 个卷绕头同时旋转。相对了过去三根轴呈等边三角布置，结构更加紧凑，运动 精度也有很大提高；从经济性的角度，减少部分连接件，节省了成本；由于轴 类零件所受扭矩主要集中在外圈，所以空心轴设计可以减轻重量，提高扭转强 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 度，具体结构布置如图2-4所示。 图2-4 空心轴结构 3d 视图 fig.2-4 3d view of hollow axes (3)三工位后卷绕头结构设计 图2-5和图2-6为后卷绕头机构传动图，电 机 4 驱动齿轮传动，带动抽针部件和部分连接件转动。电机1、2、3分别与一 个带轮相连，经带轮传动，将驱动力传递到空心轴另一端的带轮传动，进而驱 动与花键轴承连接的一系列零件转动，即卷针轴完成卷绕动作的过程。接下来 是回转换位，由于回转的零件多，转动惯量大，就必须考虑启动和制动两个环 节。启动时，电机在短时间内加速到所需速度，电机轴瞬时承受很大的转矩， 达到电机匀速运转阶段时，转矩很小，制动减速阶段，电机轴受反向转矩，其 大小与加速度大小相关，这是选择电机功率的主要因素。 另外，换位角度误差和重复定位精度也是设计最关心的参数。机构的换位 角度误差由驱动齿轮传动的电机4和位置传感器控制。由伺服电机的运动控制 特性了解到，电机在没有接到指令的情况下，处于抱死状态，即使受到外界作 用力，最后停止的位置仍然是没有收到指令的位置。可设定电机的运动函数， 使其在给定的时间内转动 ? 120，并在准确位置放置纠偏传感器，用来控制电机 的重复定位精度。当电机转动的位置超过或未到达准确位置，并在允许误差范 围之内，系统不给予补偿；当转到两侧纠偏传感器的位置，传感器将感应到信 号，并将信号传送到plc，plc再给电机驱动信号，使电机向前或向后转一定 角度作为补偿，使角度误差和重复定位误差又回到误差允许范围。 换位时，三个卷针轴随大齿轮转动，卷针轴上的小带轮同时公转 ? 120，而 此时驱动带轮的电机1、2、3处于抱死状态，即空心轴上的大带轮静止不动， 由于皮带的啮合作用，换位过程中，外侧带轮围绕中心带轮转动的同时，也有 自转运动，而且方向与换位转动方向相反，自转使已经卷绕好的隔膜极片长度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 发生变化，由于每种电池的极片长度一定，所以这个变化需要在收尾工位做出 补偿18。 图 2-5 机构轴侧图 fig.2-5 side-view of machine 机构特点：与现行半自动卷绕机卷绕头结构相比，全自动具有三个卷绕 头，三个工位位置固定，每次换位完成一个电芯的生产。半自动的卷绕头只有 一个，与全自动的单卷绕头结构类似。具有两个工位，完成卷绕后，机构平移 到下一工位，完成切断、贴胶，抽针卸料，每个工位工作时，另一个工位处于 闲置状态。显然，全自动工作效率远远高于半自动。另外，机构结构紧凑，适 用性强，可以以卷绕头为中心，将多台机器的功能整合在一起，这也是锂电设 备发展的趋势。 选用十字交叉滚子回转支承，将卷绕头与回转支撑的外圈固定，内圈安装 在卷绕机大板上，能够承受轴向力、径向力、倾翻力矩。带有安装孔，润滑油 孔和密封装置，使机构设计结构紧凑，引导旋转方便。外圈为两半件分体结 构，通过螺钉联接，在滑道上沿周向均布的滚子呈十字交叉排列，在各滚子之 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 间设置圆柱状隔离块。选用带外齿的回转支撑，外齿齿形自行设计。回转支撑 很好的满足了卷绕头的使用需要，回转灵活，旋转精度高，保证卷绕头的悬臂 部分刚性好。由于滚子与滚道表面呈线性接触，因此轴承在承受重载时弹性变 形很小1921。 图2-6 后卷绕头机构 3d 视图 fig.2-6 3d view of back winding head 抽针轴选用滚珠花键，利用装在花键外筒内的滚珠，在精密研磨的滚动沟 槽中，作平滑滚动实现抽针，并传递力矩，带动带轮转动。对单个花键外筒施 加预压，可用在振动冲击负荷作用过大、定位精度要求高，以及需要高速运动 性能的场合。在轴径相同情况下，滚珠花键的额定负荷是直线滚珠衬套的十几 倍，所以能使设计变得十分小巧。通过装在外筒内部的特殊合成树脂保持器使 滚珠排列成行进行循环运动，即使将花键轴抽出，滚珠也不会脱落。 (4)转轴连接板和转轴安装板的设计 在将大齿轮和回转支撑部分安装于连 接板的法兰位置，靠螺栓的剪切力带动与连接板相关各零部件转动。顶面的三 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 个安装孔用来固定抽针滑套，下面的有三个缺口的圆环连接转轴安装板，用螺 栓连接传递转矩。为减轻机构重量，在保证强度的情况下，将不必要的材料去 掉，具体实体结构如图2-7所示。 图 2-7 转轴连接板和转轴安装板结构图 fig.2-7 solid model of shaft gusset plate and assemble board 转轴连接板是主要用来安装花键法兰和中心轴。花键法兰相当于螺母，可 以在花键轴上滑动，将其固定于转轴连接板并与小带轮固连，既可以实现抽针 轴的横向抽针运动，又可以在换位的过程中带动花键轴转动。中心的孔用来支 撑中心轴，由于花键轴前后有三个支撑，为保证抽针灵活，必须严格要求三处 安装孔的同轴度。 2.2.3 前卷绕头结构设计 (1)前卷绕头抽针机构 如图2-8所示，图中状态下，转轴与花键轴分离， 抽针气缸复位，此时转轴不受制动力，与抽针滑套之间有4个轴承支撑，可以 自由回转。驱动力由后卷绕头卷针部分提供，这是卷绕工位和收尾工位前卷绕 头的工作状态。当卷绕头换位到抽针卸料工位时，plc控制电磁阀，驱动气缸 活塞伸出，推动连杆向外运动，连杆推动花键轴轴向运动，使花键轴与转轴接 合，转轴就不能相对转动，避免了抽针过程中，由隔膜的摩擦力或是零件加工 同轴度、安装误差等引起的转抽转动，保证抽针质量。固定套安装在前抽针安 装板上，气缸继续运动，抽出固定套内的一套部件，完成抽针。 机构特点：采用双层滑套设计，即抽针固定套内的零件可以轴向滑动，抽 针花键在抽针滑套内轴向滑动，既能够满足抽针时转轴连接件不转动，又能使 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 卷针抽出电芯。花键轴一端加工一个v型槽，转轴的一端设计成与v型槽相 配合的倒v型，接合的时候转轴不能转动。另外，固定套与滑套之间用平键连 接，防止滑套和固定套之间相对转动，保证电芯抽针质量。 图2-8 前卷绕头抽针机构 fig.2-8 needle drawing machine of front winding head (2)前卷绕头抽针结构的安装设计 后卷绕头换位时，抽针结构要与后卷绕 头换位的动作保持一致，在由卷绕工位向收尾工位的换位过程中，前卷绕头转 轴要和后卷绕头的卷针转速相同，这样就当换位结束后，卷针轴自转的角度并 不是 ? 180的整数倍，造成前卷绕机构的转轴端部不能与抽针结构中的花键轴的 v 型槽配合。要解决这样的问题就需要在换位后，卷绕电机补偿一定的角度， 使转动的总角度成为 ? 180的整数倍即可。 结构特点：三个前抽针机构安装于三角安装板，安装板固定于主轴。如图 2-9所示，主轴的转动带动三个前抽针机构回转，为保证换位的定位误差在允 许范围内，需要严格控制前抽针机构安装板的加工和安装误差，尤其要保证三 个安装孔圆心在同一个圆上，且这个圆的圆心与安装板主轴安装孔的几何中心 重合。主轴的结构设计根据切断装置的位置和极片隔膜的位置决定，在轴前端 为切刀的运动设计了一条长槽和切断台，待隔膜极片平整后切断。三个切槽之 间设计成间隔 ? 120，而且换位后，切断平面与隔膜的拉伸方向在同一水平面 上。主轴一端安装在后卷绕头上，并与其共同转动，另一端安装在