摘要

    锂电池卷绕机卷绕机构是锂电卷绕设备中的重要的组成部分，它对电池的质量和寿命有很大的影响，它的设计对电池的自动化会有很大的作用。其设计的实质是，在完成总体的设计方案以后，就指各个主要零部件的设计、安装、定位等问题，并对个别零件进行强度校核和试验。并在相关专题中，对轴和轴承的寿命延长进行比较详细的分析。在各个零部件的设计中，要包括材料的选择、尺寸的确定、加工的要求，结构工艺性的满足，以及与其他零件的配合的要求等。在强度的校核是，要运用的相关公式，进行危险部位的分析、查表、作图和计算等。并随后对整体进行安装、工作过程以及工作后的各方面的检查，同时兼顾到维修、保险装置等方面的问题，最后对两个主要工作零件的加工精度、公差选择进行分析，以保证卷绕机构最终设计的经济性和可靠性。

关键词：锂电池、卷绕机、经济性

Abstract

    Lithium battery winding machine winding winding device body is lithium important part of its quality and longevity of the battery has a great influence, and its automated design of the battery will have a significant role. The essence of its design, the completion of the overall design of the future, they refer to each of the major components of the design, installation, positioning and other issues, and checking the strength of individual components and testing. And related topics in the life of the shaft and bearings to extend the more detailed analysis. In various parts of the design, to include material selection, determine the size, processing requirements, the structure of the meeting process, and with other parts of the matching requirements. Check the intensity is related to the use of formula for risk parts of the analysis, look-up table, mapping and computing. And the subsequent installation of the whole work process and work in all aspects of the inspection, taking into account the maintenance, insurance, equipment and other issues, the last of the two main working parts of the machining accuracy, Tolerance analysis in order to ensure the winding Final design of economic institutions and reliability.

 Keywords: lithium battery, winding machine, economy

目录

1、引言

1.1锂电池的概述

1.2锂电池卷绕设备的的概述

1.3锂电池卷绕设备的现状

1.2.1圆型锂电池半自动卷绕机

1.2.2圆柱锂离子电池全自动卷绕机

1.4毕业设计任务分析

2、方案设计

2.1电机类型的设计

2.2轴间传动方案的设计

2.2.1同步带传动的优缺点

2.2.2轴承传动的优缺点

2.2.3链条传动的优缺点

2.2.4最终传动方案的选择

2.3 联轴器的选择

2.4轴的设计

2.4.1输入轴的设计

2.5 轴承的选择

2.6 气缸的选择

2.7卷绕机构三维图

3、设计计算

3.1电机的选择

3.1.1电机型号和结构形式的选择

3.1.2电机功率的选择

3.1.3电动机转速的选择

3.1.4确定电机的型号

3.2同步轮和同步带的选择

3.2.1步带和同步轮型号的选择

3.2.2步轮和同步带安装时需注意的事项

3.3轴强度的校核

3.4深沟球轴承的校核计算

4  结论

参考文献

致谢

附录

1、引言
1.1锂电池的概述

    我国锂离子电池的生产尚处于起步时期，目前还没有一家企业进入规模化生产阶段。但是，由于国家鼓励发展锂离子电池的生产，我国不少电池厂以及一些有实力的企业集团均看到了中国锂离子电池的潜在市场，正准备或已不惜投巨资生产理离子电池，这些作法无疑会促进民族锂离子电池工业的发展。

1.2锂电池卷绕设备的的概述

（1）按自动化程度可分为：半自动锂电池卷绕机和全自动锂电池卷绕机；

（2）按卷绕工位可分为：单头锂电池卷绕机、双头锂电池卷绕机和三头锂电池卷绕机；

（3）按电池形状可以分为：圆形锂电池卷绕机和方形锂电池卷绕机。

1.3锂电池卷绕设备的现状

1.2.1圆型锂电池半自动卷绕机

    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8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；具体时间节拍与工人操作熟练程度及极片质量有关控制方式：触摸屏操作界面，工作参数可自由设定；生产模式选择极片进入方式选择：先入正极后入负极；先入负极后入正极；正负极同时入；外包结尾方式：可选择（正或负）极片外包和隔膜外包；卷绕模式：恒角速度式或恒线速度模式；特点：运行稳定、调试方便、操作简单。

1.2.2圆柱锂离子电池全自动卷绕机

    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。

2 方案设计

2.1 电机类型的设计

    首先介绍一下交流伺服电机与普通电机区别：

1、根据电机的不同应用领域，电机的种类很多，交流伺服电机属于控制类电机。伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。伺服电机的构造与普通电机是有区别的，带编码器反馈闭环控制，能满足快速响应和准确定位。

    现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几Kw以上的同步伺服电机价格很贵，在这样的现场应用，多采用交流异步伺服电机，往往采用变频器驱动。

2、电机的材料、结构和加工工艺，交流伺服电机要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机）。就是说当伺服驱动器输出电流、电压、频率变化很快时，伺服电机能产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机。当然不是说变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频器的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。

3、交流电机一般分为同步和异步电机：

（1）交流同步电机：就是转子是由永磁材料构成，所以转动后，随着电机的定子旋转磁场的变化，转子也做响应频率的速度变化，而且转子速度=定子速度，所以称“同步”。

（2）交流异步电机：转子由感应线圈和材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割定子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随  定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子的变化，一旦等于就没有变化的磁场切割转子的感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。

（3）对应交流同步和异步电机，变频器就有相应的同步变频器和异步变频器，伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服。当然变频器里交流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。

（4）交流伺服电机与普通电机还有很多区别，可以参考一下《电机学》方面的书籍；普通电机通常功率很大，尤其是启动电流很大，伺服驱动器的电流容量不能满足要求。可从电机的尺寸就知道原因了。

    关于伺服的应用。有很多方面，连一个小小的电磁调压阀，也可以算上一个伺服系统。其他伺服应用如火炮或雷达，用作随动，要求实时性好，动态响应快，超调小，精度在其次。如果是机床，则经常用作恒速，位置高精度，实时性要求不高。

    首先得确定你应用在什么场合。如果用在机床上，则控制部分硬件可以设计得相对简单一些，成本也相应低些。如果用于军工，则内部固件设计时控制算法应该更灵活，比如提供位置环滤波、速度环滤波、非线性、最优化或智能化算法。当然不需要在一个硬件部分上实现。可以面向对象做成几种类型的产品。

    交流伺服在加工中心、自动车床、电动注塑机、机械手、印刷机、包装机、弹簧机、三坐标测量仪、电火花加工机等等方面的设备有广阔的应用。

    关于步进电机和交流伺服电机的性能有较大差别。

    步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

    虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。如：1、制精度不同；2、低频特性不同 3、矩频特性不同 4、过载能力不同 5、运行性能不同 6、速度响应性能不同。

    交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

    有关伺服零点开关的问题。

    找零的方法有很多种，可根据所要求的精度及实际要求来选择。可以伺服电机自身完成（有些品牌伺服电机有完整的回原点功能），也可通过上位机配合伺服完成，但回原点的原理基本上常见的有以下几种。

(1)伺服电机寻找原点时，当碰到原点开关时，马上减速停止，以此点为原点。

(2)回原点时直接寻找编码器的Z相信号，当有Z相信号时，马上减速停止。这种回原方法一般只应用在旋转轴，且回原速度不高，精度也不高。

    速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

    就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

    对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。换一种说法是：

（1）转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

（2）位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

（3）速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

通过以上几种电机的比较，可知：伺服电机电机在自动化加工的过程中有很高的控制精度，使电池的隔膜和极片在加工的过程中很好的保证其精确长度，这可以满足锂电池加工的要求，因而这里选用伺服电机进行传动。

2.2轴间传动方案的设计

2.2.1同步带传动的优缺点

    同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。

同步带传动特点 ：（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；（3）传动效率高，可达0.98，节能效果明显；（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低；（5）速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。

2.2.2轴承传动的优缺点

优点：（1）效率高；（2）结构紧凑；（3）工作可靠、寿命长；（4）传动比稳定；

（5）应用范围广；

缺点：（1）制造安装精度要求高，成本高；（2）不宜用于传动距离过大的场合。

2.2.3链条传动的优缺点

    链条传动优点：对应用环境要求一般不是很高，可用在高温、重载、低速、尘埃较大的环境并且适合较远两轴间的传动。

缺点：磨损变形影响使用，使用过程有一定的声响。

2.2.4最终传动方案的选择

    通过以上几种分析可知，轴承传动在选用的过程中有很多的优势，但它受空间的限制，两个传动轴之间的距离不能太大，在这个设计中，它就因为这个而被放弃。链条传动虽然也符合本设计的使用要求，但存在一定的噪音，这里不予采用，而同步带传动无疑是最理想的选择。

2.3 联轴器的选择

    选择一种可用的联轴器类型可考虑一下几点：（1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振的功能要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。

（2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动的轴，应选用平衡精度高的联轴器。

（3）两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确队中，或工作过程中，两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。

（4）联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需要润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。

（5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速、刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛适用于一般的中小功率传动。

根据以上几点我决定选用夹持型联轴器，下面对其进行设计计算：

（1）初估联轴器输出轴的直径

选取轴的材料为45号钢，调质处理。取，于是得：

（2）选择联轴器的类型和型号

由于联轴器所传递的功率很小，故可采用夹持型联轴器(适用伺服马达型)。联轴器的计算转矩。考虑到转矩很小，故取，则

按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，由书《MiSUMi-FA工厂自动化用零件》查得，选用MMJCP55-16- 20，其公称转矩T=20 N·m。伺服马达端直径=16mm，轴端直径=20mm，最大直径D=56mm，长度L=60mm。

2.4 轴的设计

2.4.1输入轴的设计

（1）选择轴的材料

选取45钢调质，硬度230HBS，强度极限  HBS，屈服极限  MPa，弯曲疲劳强度极限  Mpa，剪切疲劳极限  Mpa，对称循环变府力时的需用应力 Mpa。

（2）初步估算轴的最小直径

取，则：减速器输入端轴的最小直径：

考虑到轴在实际生产中的使用寿命问题，在这里将轴的直径取为d=20 mm

输入轴的结构设计如图所示

图 2-1 输入轴的结构

2.5 轴承的选择

（1）输入轴的直径d=20 mm，这里选取深沟球轴承6804。

（2）针套的直径，这里选取深沟球轴承6006。

2.6 气缸的选择

气缸在本设计中具有一个很重要的作用，因此也对其提了比较高的要求：1.动作迅速准确2.反应灵敏3.位置要精确。

需要满足的参数：行程，这里选择：SMC磁偶式无杆气缸L-CY1L35H-300-F79，行程为。

2.7卷绕机构三维图

 

3 设计计算

3.1电机的选择
3.1.1电机型号和结构形式的选择

    为了满足电池对隔膜和极片长度的精确要求，本机构同样对电机转速和电机有比较精确地要求，并且在转动的过程中，要求电机能够精确地停止到某一精确地位置，并且还能准确的控制电机的圈数，因此这里选用伺服电机，电压为220v。

3.1.2 电机功率的选择

    现需要设计一台满足以下几个参数的锂电池卷绕机构：

1.两隔膜的张力均为=5-10N

2.两极片的张力均为=10-20N

3.电机的要求转速n=300-500r/min

4.电池的直径d=20-40mm

电动机的功率主要由运行时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要其电动机的负载不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。所选电动机的额定功率应等于或稍大于满足工作要求的功率，即：。

需要电动机输出工作要求的功率为：

式中：—工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数确定；

       —电动机至工作机之间传动装置的总效率。

不同专业机械的，有不同的计算方法，例如：

带式输送机

螺旋输送机

式中：F—工作机的圆周力，例如带式输送机上输送带的有效拉力（即工艺阻力），N；

      v—工作机的线速度，例如带式输送机上输送带的速度，m/s；

      T—工作机的阻力矩，例如螺旋输送带上螺旋轴的有效转矩（即工艺阻力矩），N·mm；

      —工作机的转速，例如螺旋输送机上螺旋轴的转速，r/min;

      —工作机的效率。

电动机至工作机之间传动装置的总效率按下式计算：

       

    其中：

          

            

            

在这里需用螺旋输送机公式进行计算，为了保证机构的强度，需要用最大值进行计算

其中：F=(10+20)2=60 N

    

   

 

  

3.1.3电动机转速的选择

由于本设计是采用的同步轮传动，选择的同步轮直径是完全相等的，所以电机的实际转速和工作机的速度是一致的，所以选用的伺服电机的最大转速要大于工作机要求的转速

即： r/min

3.1.4 确定电机的型号

    根据以上计算可知，电机要满足以下几个要求：

 r/min

 Kw

根据以上两个参数可选择：松下的MUMD082G1U作为动力电机

其参数为：额定功率：750  W

          额定转矩：2.4  N·m

          最大转速：3000  r/min

          额定电压：110 V（由驱动器提供，驱动器额定电压为220V）

3.2同步轮和同步带的选择

3.2.1 步带和同步轮型号的选择

（1）轴的直径 mm，因此同步带的内径也应该是mm，根据《FA工厂自动化用零件》表选择其型号为ATPN18L050-B-N20。

（2）针套的直径 mm，因此同步带的内径也是 mm，根据《FA工厂自动化用零件》表选择其型号为 ATPP18L050-B-N28。

（3）与以上两种同步轮配合的同步带的的宽度应为12.7mm，齿距为9.525 mm。长度应该满足：

同步轮之间的间距为

安装时带轮中心到同步带的中心距为

同步带长度

根据《FA工厂自动化用零件》表选择同步带型号为TBN-277L-050-74，其长度为L=704.85 mm。

3.2.2 步轮和同步带安装时需注意的事项

    安装时还应该注意以下几点：

①安装同步带时，如果两带轮的中心距可以移动，必须先将带轮的中心距缩短，装好同步带后，再使中心距复位。若有张紧轮时，先把张紧轮放松，然后装上同步带，再装上张紧轮。 
    ②往带轮上装同步带时，切记不要用力过猛，或用螺丝刀硬撬同步带，以防止同步带中的抗拉层产生外观觉察不到的折断现象。设计带轮时，最好选用两轴能互相移近的结构，若结构上不允许时，则最好把同步带与带轮一起装到相应的轴上。 
    ③控制适当的初张紧力。 
    ④同步带传动中，两带轮轴线的平行度要求比较高，否则同步带在工作时会产生跑偏，甚至跳出带轮。轴线不平行远将引起压力不均匀，是带齿早期磨损。 
    ⑤支撑带轮的机架，必须有足够的刚度，否则带轮在密码锁运转时就会造成两轴线的不平行 。

3.3轴强度的校核

主动轴的校核

主轴的简图如下图所示

图3-1 主轴简图

主动轴的受力简图如下

图3-2 主轴受力图

主动轴传递的功率约为：

则其传递的转矩约为：

 

则

计算支反力

水平面（H面），如图所示

图3-3 水平面受力图

由以上两式代入数据可得：

解得：N

N

作弯矩图

水平面弯矩，如图所示

图3-4 水平面弯矩图

N·mm

 N·mm

由于在垂直面上没有产生弯矩，所以总弯矩图和水平面上的弯矩图相同，即为：

图3-5 总弯矩图

N·mm

 N·mm

作转矩图

 N·mm

图3-6 转矩图

作计算弯矩图，如图所示

单向运转，扭转切应力按脉动循环变应力，取系数，则

 N·mm

 N·mm

 N·mm

 N·mm

图3-7 弯扭矩合成总图

按弯扭合成应力校核轴的强度

在B处的计算应力为：

均小于许用应力，故安全。

3.4深沟球轴承的校核计算

按轴的设计，初步选用深沟球轴承，其型号为：6804。安装方式为：单向固定，正装。轴承的最大转速为500r/min。由型号：6804轴承参数

轴承系列：深沟球轴承

旧型号：61804轴承   参考型号：1000804轴承

内径：20    外径：32    厚度：7

极限转速：22000 r/min   动负荷：4000 N    静负荷：2470 N

在这里轴承不承受轴向力，只承受径向力。计算输入轴轴承的载荷如下：

查《机械设计》中P321表13-6，取载荷系数fp=1.2，则当量动载荷为：

 

查《机械设计》中P320表13-4，去温度系数ft=1。

由于，所以计算轴承1的寿命：

由此可得轴承的寿命远远满足要求。

由于本设计载荷很小，且所受均为恒定载荷，冲击小，这里不予校核。