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(chē)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(chē)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。”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 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。“這將會(huì)影響放置電極時(shí)的定位精度。”Arne 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。”Arne Glodde 博士解釋了最終推動(dòng)他們開(kāi)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。“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(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(zhuān)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(xiāo)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(méi)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。”Arne 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(méi)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。”倍福柏林分公司銷(xiāo)售工程師 Guido Sieder 說(shuō)道。“從長(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。”最后，夾具必須相對(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(tīng)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。”倍福 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(zhuān)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(hù)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(kāi)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)。”Arne 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。“此外，我們還希望在系統(tǒng)中集成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。”Arne 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

　　關(guān)于德國(guó)倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專(zhuān)注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶(hù)于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍�；�于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開(kāi)放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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