一種鋰電池自動貼膠機控制系統(tǒng)的設計方案

　　摘要：本文介紹了鋰電池自動貼膠機的工作原理，設計并實現(xiàn)了以CP1H系列PLC為基礎的鋰電池自動貼膠機控制系統(tǒng)，重點介紹了控制系統(tǒng)的工作原理、硬件配置、軟件設計和故障排除及其維護。該系統(tǒng)已通過實際生產(chǎn)的應用得以驗證，積累了寶貴的經(jīng)驗，在教學方面具有較好的應用價值。

　　1.引言

　　隨著國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)扶持的力度逐年加大，其核心能源領域-動力鋰電池將進入行業(yè)發(fā)展的高速期。相對于傳統(tǒng)能源電池，鋰電池具有能量密度高、重量輕、使用壽命長、綠色環(huán)保、重復利用率高等特點。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。隨著客戶對產(chǎn)品的工藝水平、效率和質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的手動貼膠已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，所以研究高效、自動的貼膠機是市場的迫切要求。本文著重介紹了一種基于PLC的鋰電池自動貼膠機控制系統(tǒng)，并且對系統(tǒng)的硬件和軟件設計進行了詳細的闡述。

　　2.鋰電池自動貼膠機的工作原理

　　鋰電池自動貼膠機是具有自動取料、貼膠、短路檢測和下料功能的全自動包裝設備。

　　其工作原理是在自動疊片機生產(chǎn)鋰電池電芯的同時，進行自動備膠帶工作。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過程。待疊片機生產(chǎn)出鋰電池電芯之后，取電芯機械手把疊片臺上的電芯取出，并且通過絲桿傳送到貼膠機下進行貼膠。由于疊片工藝生產(chǎn)的電池體積比較大，貼一道膠帶往往達不到緊固電芯的目的，所以這里設計了貼三道膠工序。每貼一道膠之后，電芯移動一段距離（該距離可以通過觸摸屏設置），同時自動貼膠機進行備膠帶工作，等備膠帶工作完畢和取電芯機械手停止之后，進行貼膠工序，這樣反復三次。每貼一次膠，通過光電顏色傳感器檢測膠帶是否貼上，如果貼膠帶正常，則進行下一道工序，如果貼膠帶不正常，則返回上一個貼膠位重新貼膠。貼膠帶工序完成之后，取電芯機械手運送貼好膠帶的電芯到短路測試位，用短路測試儀進行短路測試，如果合格則運送到下料傳送帶下料，如果不合格則運送到廢料箱下料。

　　3.電氣系統(tǒng)的硬件設計

　　3.1 PLC選型

　　在自動貼膠機電控部分設計中，考慮到貼膠機的工序多，運行復雜，而PLC具有可靠性高、控制功能強、編程方便、易操作等優(yōu)點，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型號的PLC,該PLC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、輸出16點，并且可實現(xiàn)高速計數(shù)器4軸、脈沖輸出4軸。基本指令每步0.1微秒，程序容量最大20K步，指令種類約400種，是一種功能強大的小型整體式PLC.由于其結(jié)構緊湊，功能強大以及性價比較高等特點，非常適合本系統(tǒng)的設計要求。

　　3.2 硬件配置

　　系統(tǒng)的硬件配置結(jié)構框圖如圖1所示，包括CPU單元、輸入（光電位置開關和貼膠有無檢測傳感器）、操作面板（觸摸屏和指示燈）、控制元件（伺服驅(qū)動器和電磁閥）、執(zhí)行部件（伺服電機、直流電機、氣缸）等幾部分組成。取電芯電機設置左限位、右限位和原點；拉膠氣缸、切膠氣缸和貼膠氣缸各有兩個光電位置開關用來檢測氣缸是否到位；貼膠有無檢測傳感器檢測每次貼膠的膠帶是否貼在電芯上。觸摸屏作為設備控制的操作界面，接受來自操作人員的操作指令并指示設備的運行狀態(tài)，PLC和觸摸屏之間通過RS232通信電纜進行通信。取電芯電機采用伺服電機，通過伺服驅(qū)動器控制；下料電機采用直流電機；電磁閥采用兩位五通的電磁閥來控制氣缸的進退。

　　3.3 輸入輸出點的分配

　　自動貼膠機的生產(chǎn)過程是由取料、貼膠、短路檢測、下料等幾部分組成的。自動貼膠機的PLC輸入信號包括：啟動、停止（做完一個循環(huán)停止）、急停、取電芯電機前限、取電芯電機原點、取電芯電機后限、取電芯電機報警、貼膠好壞檢測、短路檢測、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。輸出信號包括：取電芯電機正轉(zhuǎn)、取電芯電機反轉(zhuǎn)、下料電機正轉(zhuǎn)、下料電機反轉(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、短路檢測氣缸電磁閥。

　　4.控制系統(tǒng)的軟件設計

　　自動貼膠機控制系統(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之間的對話，主要由自動操作、參數(shù)設定和手動操作三部分組成。其中自動操作主要由啟動、停止和急停三個按鈕組成，分別用來控制機器的啟動、停止（做一個循環(huán)后停止）和出現(xiàn)緊急狀況后停止用；參數(shù)設定主要用來輸入第一道、第二道和第三道膠帶相對于取電芯電機原點的位置；手動操作主要由氣缸手動和電機手動兩部分組成：氣缸手動按鈕用來手動控制系統(tǒng)中各個氣缸的進退，電機手動按鈕用來手動控制電機的正反轉(zhuǎn)。本控制系統(tǒng)的觸摸屏采用步科公司生產(chǎn)的Eview MT510.

　　4.2 PLC程序

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

　　5.結(jié)語

　　本方案中所設計的自動貼膠機是根據(jù)客戶反映的疊片機生產(chǎn)出的電芯下料難、人工貼膠效率低以及沒有短路檢測功能而設計的。主要用于對前期疊片機的更新改造。根據(jù)客戶反饋的情況，達到了客戶的要求和預期設計效果，效率有了很大的提高，而且減少了人力，提高了自動化水平，使鋰電池電芯加工工序全部實現(xiàn)自動化，從而證實了本方案的實用性。（作者：李志鵬）