XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)替代速度緩慢的拾放裝置

XTS 和基于 PC 的控制技術(shù)助力提升鋰離子電池生產(chǎn)效率

低成本的鋰離子電池（LIB）是實現(xiàn)交通工具全面電動化的關(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。

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)動學(xué)功能執(zhí)行多步拾放操作，以完成電動汽車電池中的 Z 型折疊結(jié)構(gòu)。這個過程非常耗時，因為每個電極都需要一次拾放操作，僅一個 50 Ah 的鋰離子電池就包含 53 個尺寸為 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汽車鋰離子電池的加工時間，降低生產(chǎn)成本

“這些拾放動作明顯造成了產(chǎn)能瓶頸問題。”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)部高級研究員 Arne Glodde 解釋道。他認(rèn)為，不能簡單地通過工業(yè)機(jī)器人更快的制動速度和加速度減少輸送和裝配時間。“這將會影響放置電極時的定位精度。”Arne Glodde 博士說。這會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。”Arne Glodde 博士解釋了最終推動他們開發(fā)新型鋰離子電池生產(chǎn)線的動機(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。“與目前最先進(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)時說道。這一產(chǎn)能的增加意味著，未來，在目前生產(chǎn) 100 個電池所需的時間里能夠生產(chǎn)出 250 個電池。該工藝過程中的重要創(chuàng)新是基于 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)及其旋轉(zhuǎn)電動夾爪的 Z 型疊片技術(shù)。其中兩個系統(tǒng)共配備了 10 個動子，確保連續(xù)疊片，并在碼垛時精確定位電極。

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)下通過一個輥筒拾取并加速至與帶狀隔膜料卷相同的運(yùn)行速度。在輸送期間對位置進(jìn)行檢測，并精確對齊電極片與隔膜。然后，電極被交替固定在連續(xù)輸送的隔膜材料上。

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)部高級研究員 Arne Glodde；以及倍福應(yīng)用工程師 Mathias Arndt

隨后進(jìn)行 Z 型疊片，即固定有電極的帶狀隔膜料卷通過兩個導(dǎo)輥從上方送入疊片工藝步驟。為此，兩個偏轉(zhuǎn)輥筒使卷料轉(zhuǎn)向，以便于用專用夾爪從后面交替抓取。它們被安裝在兩個互鎖的 XTS 系統(tǒng)的動子上，并引導(dǎo)疊片，直至帶狀卷料被放置在疊片臺上。XTS 系統(tǒng)安裝在無振動結(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。

XTS 開辟創(chuàng)新潛力

“如果沒有倍福的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)，我們不可能通過這種過程控制實現(xiàn)連續(xù)的 Z 型疊片制造工藝并明顯縮短加工時間。”Arne Glodde 博士熱情地說道。大尺寸 Z 型疊片的電極-隔膜復(fù)合材料的加工時間已經(jīng)從每次疊片需耗時超過 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，每次疊片的時間可以縮短到 0.35 秒左右。

若要確保每次疊片時間為 0.7 秒，動子須以約 600 毫米/秒的速度移動。而若要將每次疊片的時間縮短到 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。”倍福柏林分公司銷售工程師 Guido Sieder 說道。“從長遠(yuǎn)看，隔膜材料的機(jī)械性能和慣量可能會一直是限制因素。”Arne Glodde 博士證實道。

XTS 的特殊功能和基于 PC 的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)目前性能飛躍的強(qiáng)大助力。Arne Glodde 博士說道：“XTS 憑借其可自由控制的動子滿足了我們對運(yùn)動控制的極高要求。”最后，夾具必須相對于彼此移動，以便以足夠的卷材張力和適合負(fù)載的方式折疊材料。這雖然聽起來很簡單，但實際上它需要高性能、靈活的自動化技術(shù)：

共有 15 個伺服驅(qū)動器（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，對兩個 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

TwinCAT 必須精確、實時地計算出某個動子與其它動子的位置關(guān)系
在最短的距離內(nèi)高精度同步料輥需要高動態(tài)性
在這個過程中，必須能夠動態(tài)調(diào)整主動介入的動子的數(shù)量
若要確保沿著帶狀隔膜卷料的位置在正確的時間靠近需要高重復(fù)精度
負(fù)載波動需要高質(zhì)量的控制

“為了實時計算和控制所有的運(yùn)動，我們必須確保 XTS 伺服軸能夠從 NC（點對點）操作無縫切換到插補(bǔ)操作。”倍福柏林分公司應(yīng)用工程師 Mathias Arndt 解釋道。項目負(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施過程帶來很大幫助。

客戶可以根據(jù)運(yùn)動學(xué)計算結(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一個虛擬軸相互耦合，并通過疊加運(yùn)控在運(yùn)動過程中進(jìn)行校正。Arne Glodde 博士認(rèn)為倍福系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是能夠簡單地集成和同步六軸機(jī)器人運(yùn)動，將折疊好的電極組彈出。

快速、準(zhǔn)確的物體位置檢測是確保高精度和可重復(fù)性的關(guān)鍵。在這一點上，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)的時間戳功能計算位置，因此，信號采集獨(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。

通過主動控制的夾爪進(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。“我們確實看到，在振動和慣性力的作用下，如果提高速度，精度就會降低。這個問題可以通過配備剛性更強(qiáng)的導(dǎo)軌或主動夾爪解決。倍福在這兩個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)和用于是實現(xiàn)動子無線數(shù)據(jù)通信和供電的無電纜技術(shù)（NCT）能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化，提升疊片過程的速度和靈活性。

“更具體地說，我們正著手進(jìn)一步開發(fā)我們的夾爪，并希望利用 NCT 主動控制夾爪，取代機(jī)械引導(dǎo)。”Arne Glodde 博士說道。這樣可以提升系統(tǒng)在電極規(guī)格方面的靈活性，并動態(tài)補(bǔ)償進(jìn)料誤差。“此外，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。”Arne Glodde 博士在概述未來擴(kuò)展計劃時說道。