低成本的鋰離子電池(LIB)是實(shí)現(xiàn)交通工具全面電動(dòng)化的關(guān)鍵，但鋰電子電池生產(chǎn)成本一直居高不下。柏林工業(yè)大學(xué)的研究人員正使用 Z 型疊片電池連續(xù)制造裝置取代迄今為止一直使用的傳統(tǒng)拾放裝置，加快鋰離子電池生產(chǎn)速度。倍福的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)替代速度緩慢的拾放裝置

　　鋰離子電池(LIB)生產(chǎn)面臨的最大挑戰(zhàn)是，多層結(jié)構(gòu)的電解液-隔膜復(fù)合材料的裝配速度太慢，需要由機(jī)器人或?qū)Ｓ玫倪\(yùn)動(dòng)學(xué)功能執(zhí)行多步拾放操作，以完成電動(dòng)汽車電池中的 Z 型折疊結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)電極都需要一次拾放操作，僅一個(gè) 50 Ah 的鋰離子電池就包含 53 個(gè)尺寸為 300 x 125 mm 電極。

　　基于 XTS 和 PC 控制器的 Z 型疊片電池連續(xù)制造裝置顯著縮短了電動(dòng)汽車鋰離子電池的加工時(shí)間，降低生產(chǎn)成本

　　“這些拾放動(dòng)作明顯造成了產(chǎn)能瓶頸問(wèn)題?！卑亓止I(yè)大學(xué)機(jī)床與工廠管理研究所(IWF)搬運(yùn)和裝配技術(shù)部高級(jí)研究員 Arne Glodde 解釋道。他認(rèn)為，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)工業(yè)機(jī)器人更快的制動(dòng)速度和加速度減少輸送和裝配時(shí)間?！斑@將會(huì)影響放置電極時(shí)的定位精度?！盇rne Glodde 博士說(shuō)。這會(huì)降低電芯的覆蓋率以及電池容量，縮短使用壽命，甚至出現(xiàn)短路。“在實(shí)際應(yīng)用中，以前的工藝流程已經(jīng)達(dá)到了生產(chǎn)力的極限?！盇rne Glodde 博士解釋了最終推動(dòng)他們開發(fā)新型鋰離子電池生產(chǎn)線的動(dòng)機(jī)。

　　電池疊片產(chǎn)能提升了 150%

　　柏林工業(yè)大學(xué)的研究人員已經(jīng)用電極和隔膜材料的連續(xù)輸送取代了拾放工藝?！芭c目前最先進(jìn)的工藝相比，這使我們的產(chǎn)能增加了 150% 以上。”Arne Glodde博士在概述最重要的改進(jìn)時(shí)說(shuō)道。這一產(chǎn)能的增加意味著，未來(lái)，在目前生產(chǎn) 100 個(gè)電池所需的時(shí)間里能夠生產(chǎn)出 250 個(gè)電池。該工藝過(guò)程中的重要?jiǎng)?chuàng)新是基于 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)及其旋轉(zhuǎn)電動(dòng)夾爪的 Z 型疊片技術(shù)。其中兩個(gè)系統(tǒng)共配備了 10 個(gè)動(dòng)子，確保連續(xù)疊片，并在碼垛時(shí)精確定位電極。

　　電極一般是一疊薄片，而隔膜一般是帶狀的。柔性電極在真空狀態(tài)下通過(guò)一個(gè)輥筒拾取并加速至與帶狀隔膜料卷相同的運(yùn)行速度。在輸送期間對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)，并精確對(duì)齊電極片與隔膜。然后，電極被交替固定在連續(xù)輸送的隔膜材料上。

　　隨后進(jìn)行 Z 型疊片，即固定有電極的帶狀隔膜料卷通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)輥從上方送入疊片工藝步驟。為此，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)輥筒使卷料轉(zhuǎn)向，以便于用專用夾爪從后面交替抓取。它們被安裝在兩個(gè)互鎖的 XTS 系統(tǒng)的動(dòng)子上，并引導(dǎo)疊片，直至帶狀卷料被放置在疊片臺(tái)上。XTS 系統(tǒng)安裝在無(wú)振動(dòng)結(jié)構(gòu)中，可以被集成到任意電池生產(chǎn)線的任意一道工序中。

　　正在演示 Z 型疊片裝置(從左到右)：倍福柏林分公司銷售工程師 Guido Sieder;柏林工業(yè)大學(xué)機(jī)床與工廠管理研究所(IWF)搬運(yùn)和裝配技術(shù)部高級(jí)研究員 Arne Glodde;以及倍福應(yīng)用工程師 Mathias Arndt

　　電池疊片產(chǎn)能提升了 150%

　　“如果沒有倍福的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)，我們不可能通過(guò)這種過(guò)程控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)的 Z 型疊片制造工藝并明顯縮短加工時(shí)間?！盇rne Glodde 博士熱情地說(shuō)道。大尺寸 Z 型疊片的電極-隔膜復(fù)合材料的加工時(shí)間已經(jīng)從每次疊片需耗時(shí)超過(guò) 1 秒多縮短到 0.7 秒，而這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其性能極限。未來(lái)，每次疊片的時(shí)間可以縮短到 0.35 秒左右。

　　若要確保每次疊片時(shí)間為 0.7 秒，動(dòng)子須以約 600 毫米/秒的速度移動(dòng)。而若要將每次疊片的時(shí)間縮短到 0.35 秒，這一速度必須提高到 1000 毫米/秒。“XTS 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)速度高達(dá) 4 m/s，因此它有足夠的提速能力?！北陡０亓址止句N售工程師 Guido Sieder 說(shuō)道?！皬拈L(zhǎng)遠(yuǎn)看，隔膜材料的機(jī)械性能和慣量可能會(huì)一直是限制因素。”Arne Glodde 博士證實(shí)道。

　　XTS 的特殊功能和基于 PC 的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)目前性能飛躍的強(qiáng)大助力。Arne Glodde 博士說(shuō)道：“XTS 憑借其可自由控制的動(dòng)子滿足了我們對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的極高要求?！弊詈螅瑠A具必須相對(duì)于彼此移動(dòng)，以便以足夠的卷材張力和適合負(fù)載的方式折疊材料。這雖然聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上它需要高性能、靈活的自動(dòng)化技術(shù)：

　　·TwinCAT 必須精確、實(shí)時(shí)地計(jì)算出某個(gè)動(dòng)子與其它動(dòng)子的位置關(guān)系

　　·在最短的距離內(nèi)高精度同步料輥需要高動(dòng)態(tài)性

　　·在這個(gè)過(guò)程中，必須能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整主動(dòng)介入的動(dòng)子的數(shù)量

　　·若要確保沿著帶狀隔膜卷料的位置在正確的時(shí)間靠近需要高重復(fù)精度

　　·負(fù)載波動(dòng)需要高質(zhì)量的控制

　　“為了實(shí)時(shí)計(jì)算和控制所有的運(yùn)動(dòng)，我們必須確保 XTS 伺服軸能夠從 NC(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))操作無(wú)縫切換到插補(bǔ)操作?！北陡?柏林分公司應(yīng)用工程師 Mathias Arndt 解釋道。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Arne Glodde 博士認(rèn)為，由于 TwinCAT 具有多任務(wù)并行處理能力，控制器專用的模塊編程和同步也為實(shí)施過(guò)程帶來(lái)很大幫助。

　　客戶可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果，直接在控制器中規(guī)劃所有軸的路徑。系統(tǒng)中的其它組件則通過(guò)一個(gè)虛擬軸相互耦合，并通過(guò)疊加運(yùn)控在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行校正。Arne Glodde 博士認(rèn)為倍福系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠簡(jiǎn)單地集成和同步六軸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，將折疊好的電極組彈出。

　　快速、準(zhǔn)確的物體位置檢測(cè)是確保高精度和可重復(fù)性的關(guān)鍵。在這一點(diǎn)上，柏林工業(yè)大學(xué)研究人員采用的是倍福的 XFC 技術(shù)。“我們使用 XFC 極速控制技術(shù)的時(shí)間戳功能計(jì)算位置，因此，信號(hào)采集獨(dú)立于 PLC 的掃描周期。”Arne Glodde 博士解釋道。這樣做的好處是，控制技術(shù)不再是位置檢測(cè)的限制因素;相反，目前使用的采樣率為 62.5 kHz 的傳感器技術(shù)構(gòu)成了限制。

　　通過(guò)主動(dòng)控制的夾爪進(jìn)一步加快生產(chǎn)速度

　　不言而喻，Arne Glodde 博士以及他的團(tuán)隊(duì)正在努力進(jìn)一步突破 Z 型疊片裝置的性能邊界。“我們確實(shí)看到，在振動(dòng)和慣性力的作用下，如果提高速度，精度就會(huì)降低。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)配備剛性更強(qiáng)的導(dǎo)軌或主動(dòng)夾爪解決。倍福在這兩個(gè)方面都可以提供更優(yōu)的解決方案：XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)及其 V 型導(dǎo)軌系統(tǒng)和用于是實(shí)現(xiàn)動(dòng)子無(wú)線數(shù)據(jù)通信和供電的無(wú)電纜技術(shù)(NCT)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化，提升疊片過(guò)程的速度和靈活性。

　　“更具體地說(shuō)，我們正著手進(jìn)一步開發(fā)我們的夾爪，并希望利用 NCT 主動(dòng)控制夾爪，取代機(jī)械引導(dǎo)?！盇rne Glodde 博士說(shuō)道。這樣可以提升系統(tǒng)在電極規(guī)格方面的靈活性，并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)料誤差?！按送?，我們還希望在系統(tǒng)中集成機(jī)器視覺系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量?！盇rne Glodde 博士在概述未來(lái)擴(kuò)展計(jì)劃時(shí)說(shuō)道。

　　共有 15 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器(AX8206、AX5125 和 AX5206)和其它的 EL7211 伺服電機(jī)端子模塊控制 AM8000 伺服電機(jī)的位置，這些伺服電機(jī)安裝在不同的進(jìn)料裝置中，對(duì)兩個(gè) XTS 系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。柏林工業(yè)大學(xué)研究人員還使用倍福面板進(jìn)行操控。