锂离子电池芯体卷绕装置设计开题报告

毕业设计（论文）开 题 报 告1 1 选题的背景和意义锂离子电池以其重量轻、 容量高、 工作电压高、 寿命长且无污染等特点在全球范围内得到普遍应用 [1]。但是锂离子电池生产中的关键设备—锂离子芯体卷绕设备，在我同仍以手工卷绕和半自动卷绕型为主。其制成品致密性、使用寿命等指标比较低，难以满足生产和生活需求 [2]。1.1 选题的背景由于我国的锂电池起步较晚， 国内大部分的生产厂家的设备仍很落后。 手工卷绕设备结构简单、操作容易、造价相对较低，但生产效率低下，不能满足日益扩大的市场需求。 而半自动、 自动卷绕设备虽然产品质量稳定性好， 但由于昂贵的价格和复杂的结构和操作规程，也很难满足市场的需求 [3]。因此， 一种更高质量， 更高稳定性， 更高可靠性而又相对价格低廉的全自动芯体卷绕设备的研发势在必行。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内外锂电池装备行业现状用于锂离子电池电芯半自动卷绕； 适合于油性极片、 水性极片及各种隔膜； 设备的 7 大特点： （ 1）人工上极片、自动卷绕、自动换针、自动贴终止胶带及自动下料；（ 2）极片、隔膜张力方便调节； （ 3）极片、隔膜张力恒定，电芯一致性好，同时设有真空吸尘装置。 （ 4）设备操作简单，工人培训时间短； （ 5）设备调试时间短，用料节省，换型调整方便； （ 6）设备故障率低、维护容易； （ 7）质量性能价格比高，是适合中国国情的高品质电芯生产模式；是锂离子电芯制造企业提高产品质量的理想设备。圆形动力锂电池全自动卷绕机的特点可总结为： （ 1）将焊有极耳的正、负极片、隔膜料卷安装在固定装置上， 自动放卷、 自动纠偏、 自动卷绕、 自动输出电芯之功能，操作保养方便。 （ 2）适用于圆形动力锂电池电芯的全自动卷绕。 （ 3）采用交流伺服电机驱动、张力控制放卷，张力可调。 （ 4）放卷和卷绕均有纠偏装置。 （ 5）对极片有磁性清理装置，除静电装置、刷尘、吸尘装置并回收。 （ 6）极片送入夹头前自动纠偏、直线导向、定位，保证卷绕质量。 （ 7）先入正极或负极均可调。 （ 8）具备隔膜外包和极片外包两种方式。 （ 9） 检测装置监控工作运行状况， 如有异常自动报警、 停机。 （ 10）PLC控制系统，触摸屏显示，设置、操作方便。 （ 11）成品自动输送，结构合理。日本、 美国、 德国和韩国的锂电池技术在全球处于技术领先， 其中日本的锂电池2 技术不论原创技术、 零组件／材料、 制造技术， 皆遥遥领先其它国家。 在制造技术上，日本生产的制片、卷绕一体机每分钟锂电池生产个数已达到 20 个以上，珠海华冠电子科技公司生产的三卷绕头全自动卷绕机， 为目前国内生产效率最高的锂电池卷绕设备，每分钟的电芯生产个数还不到 12 个 [4] 。1.2.2 发展趋势锂电池的安全性取决于生产工艺，高精度、全自动化的锂电池生产设备将在保证锂电池生产工艺的基础上， 使生产出的锂电池具有较好的一致性， 从而保证生产出的锂电池具有高可靠的安全性能 [4]。同时，锂电池技术的不断发展将对锂电池生产设备的全自动化、高精度提出更高的要求，高精度的全自动化设备是未来发展方向。锂电生产设备行业要快速发展， 在设备的生产工艺性能设计上， 就要不断满足锂电池的新工艺、 新技术和新发展的变化， 将锂电池制造的工艺细节、 工艺参数融入到设备的设计和制造中，使设备真正成为保障电池生产独特工艺技术的专用设备 [5] 。2 研究的基本内容设计出合理的卷绕传动工艺流程， 从而选择出合理的机构。 并对主要的传动件进行设计计算。2.1 基本框架（ 1）卷绕装置的结构设计；（ 2）主要传动件设计计算；2.2 研究的重点和难点（ 1）气缸的选择（ 2）卷绕电机的选择（ 3）其他传动件的选择2.3 拟解决的关键问题（ 1）如何确定芯体卷绕的致密性。（ 2）如何保证正负极片的送出速度一致3 研究的方法及措施当正负极片、隔膜到达工位 A 时， A 位的气缸 4 得电伸出，使 A 位卷针 13 伸出3 并夹住正负极片、隔膜。然后 A 位电机 3 启动，通过联轴器 2、齿轮副 1 驱动卷针14 旋转，进行 A 工位的芯体缠绕。当 A 工位的芯体卷绕到期望的尺寸后， A 位电机停车。同时换位电机 5 启动，通过联轴器 6 将转矩输出到主旋转轴 13，带动换位执行机构 12 旋转 180o，旋转时，旋转联接头使 A 位气缸 4 和卷针 14 脱开， B 位气缸7 和卷针 11 脱开， 在换位执行机构 12 的作用下旋转 180o后 A 位卷针 14 和 B 位气缸7 结合， B 位卷针 11 和 A 位气缸 4 在 A 位结合。这样，通过 180o换位，原来 A 位卷针 14 上已经卷绕成型的芯体进入了 B 工位，原来 B 位上空着的卷针 11 进入到 A 工位进行新一轮的卷绕。在 A 位卷绕的同时， B 位上的成型芯体开始在 B 位电机 8 驱动下进行胶布封贴的工序 [6]。A-A 卷绕工位； B-B 卷绕工位； 1-A 位传动齿轮副； 2、 6、 9-联轴器； 3-A 位卷绕电机；4-卷针进给气缸； 5-换位电机； 7-卷针进给气缸； 8-A 位卷绕电机； 10-B 位传动齿轮副；11-B 位卷针； 12-换位执行结构； 13-主旋转轴； 14-A 位卷针；图 3-1 双针换位卷绕结构简图如图 3-2 为卷绕机构结构简图。 1 和 2 上的正负极片通过送料风箱送至芯体卷绕装置进行卷绕成型为一定直径的芯体，接着进行胶布和隔膜的切断，最后自动下料。4 1-正极极片送料机构； 2-负极极片送料机构； 3-风箱送料机构； 4-A 位卷绕结构；5-隔膜切断机构； 6-胶布切断机构； 7-B 位卷绕结构； 8-胶布封贴机构； 9-芯体压紧装置；10-换位主轴；图 3-2 卷绕机构结构简图如图 3-3 为终止胶布无限制放出简图。终止胶布架装配在滑板上，由气缸推动滑板在线性导轨上的移动来完成终止胶布的进给和退回动作。1- 胶布卷； 2- 切刀； 3-B 位卷成芯体； 4-B 位压紧装置；图 3-3 终止胶布无限制放出简图4 预期成果完成锂离子电池芯体卷绕装置的设计， 包括卷绕装置的结构设计和主要传动设计计算。结果呈现包括动力卷绕机构装配图，重要零件图，图量折合 A0 号 2 张，毕业5 设计说明书一份。5 研究工作进度计划2013.11.8～ 2014.1.12 完成前期准备材料2014.1.13～ 2014.3.23 完成总体方案设计2014.3.24～ 2014.4.10 完成卷绕装置主体结构设计2014.4.11～ 2014.5.11 完成主要传动设计计算2014.5.12～ 2014.5.30 完成卷绕装置动态仿真2014.6.1 ～ 2014.6.11 完成设计说明书2014.6.12～ 2014.6.15 整理各类文件，准备答辩6 参考文献[1] 徐保伯，刘务华．锂离子电池的制造及其市场 [J]．电池， 2002， 32（ 4） ： 242-244．[2] 肖艳春，赵庚，张宇．锂离子电池芯体卷绕设备的设计与分析 [J]．机械设计与制造， 2009，10： 077．[3] 杨振宇， 何佳兵， 桂祖平． 国内锂电装备行业发展现状和趋势 [J]． 电子工业专用设备， 2010，（ 007） ： 29-31．[4] 关玉明，王兴，肖艳春等．基于 PLC 的电池芯体卷绕设备控制系统设计 [J]．微计算机信息，2008， 24（ 31） ： 26-27．[5] 吕树辉．锂电池芯体卷绕设备软件设计及纠偏控制的研究 [D] ．哈尔滨工业大学， 2009．[6] 许波．锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析 [D] ．河北工业大学，2006． DOI:10 ． 7666/d． d041714．