CN102896863A - 氢能源电池膜电极自动定位热压设备 - Google Patents

Abstract

氢能源电池膜电极自动定位热压设备，将正极膜A(黑块向下)，质子膜C，负极膜B(黑块向上)进行放料，正极膜A和负极膜B的黑块的位置和质子膜C的窗口位置一一对应并送入热平压机构的压头，通过伺服电机收料成卷(上下两面覆上保护膜)，供下一个工序使用，再开始下一循环，采用伺服电机的位置控制膜式，可对多层材料同时进行定量输送，通过光纤传感器的检测进行精确定位，并对薄膜材料进行热压，采用先进的伺服控制系统及全闭张力控制系统，整机操作为人机界面集中控制。

Description

氢能源电池膜电极自动定位热压设备

技术领域：

本发明属于机械设备类，涉及一种氢能源电池膜电极自动定位热压设备有关。

背景技术：

当前由于石油短缺和汽车尾气污染等环境问题日益严重，目前燃料电池研发生产的一个重要方向是能够给汽车提供动力。几乎所有大的汽车制造商都在研发使用燃料电池的电动汽车，并已有示范车型。同时在便携式电子设备(如：手机、笔记本电脑、掌上电脑)等也开始在推行使用氢能源电池。

氢能源电池膜定位热压设备现有技术是手动定位热压成型，其工作原理是：手工上料→手工定位→热压；上述氢能源电池膜电极生产工艺的缺点是：

a.以手工操作来生产必须投入大量的劳动力，生产效率低，制造成本高。

b.由于人们在操作的过程中动作单一，体力易于疲劳思想易于麻痹给产品质量埋下了不少隐患。

c.无法对多层材料同时进行定量输送，没有光纤传感器的检测进行精确定位，无伺服控制系统及全闭张力控制系统，

发明内容：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种氢能源电池膜电极全自动定位热压设备，该装置采用伺服电机的位置控制模式，可对多层材料同时进行定量输送，通过光纤传感器的检测进行精确定位，并对薄膜材料进行热压，采用先进的伺服控制系统及全闭张力控制系统，设备实现了自动化生产，提高了生产效率和降低了劳动强度。

为实现上述目的，本发明技术方案为：

氢能源电池膜电极自动定位热压设备，其机械部分包括：机台，其上设有：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷机构1，质子膜C储料浮辊2，质子膜C一级连续放料牵引机构3，质子膜C放卷纠偏检测4，质子膜C自动定位放料牵引机构5，质子膜C保护膜排废机构6，质子膜C张力传感器、色标传感器7，热压机构12，成品保护膜张力传感器16，二级张力伺服牵引机构17，成品保护膜放卷机构18，成品张力传感器19，成品收卷20；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C质子膜C自动定位放料牵引机构5后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷机构8，正极膜A及负极膜B负压张力机构9，正极膜A及负极膜B负压纠偏机构10，热压机构12，正极膜A及负极膜B牵引机构14，正极膜A及负极膜B收卷15；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷机构8后面热压机构12前面工位上的白卡纸放卷机构11，热压机构12，白卡纸收卷机构13。

正极膜A、负极膜B及质子膜C的牵引机构的牵引辊尺寸相同，由同步系统控制同步送料，正极膜A及负极膜B黑块位置恰与质子膜C窗口位置对应，送料至热压机构12热压。

光纤传感器检测窗口的位置进行定位送料，检测窗口与PET膜方面须具备色差，光纤传感器距离热压头前侧小于90mm。

其电气部分结构包括：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷磁粉制动器1’，质子膜C纠偏器2’，质子膜C一级连续放料牵引伺服电机3’，质子膜C浮辊电位器4’，质子膜C自动定位放料牵引伺服电机5’，质子膜C上废料收卷伺服电机6’，质子膜C下废料收卷伺服电机7’，热压机构14’，成品上保护膜放卷伺服电机23’，成品下保护膜放卷伺服电机24’，二级张力辅助牵引伺服电机25’，纠偏器26’，成品收卷伺服电机27’；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C自动定位放料牵引伺服电机5’后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷伺服电机8’、9’，正极膜A及负极膜B付压纠偏控制器10’、11’，热压机构14’，正极膜A及负极膜B定位伺服电机21’、22’，正极膜A及负极膜B收卷伺服电机19’、20’；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷伺服电机8’、9’后面热压机构14’前面工位上的白卡纸放卷磁粉控制器11’、12’，热压机构12’，白卡纸废料收卷伺服电机17’、18’。

热压机构14’：包括：相互配合的上压头气缸15’及下压头气缸16’。

采用上述技术方案，本发明可全自动对多层材料同时进行定量输送，通过光纤传感器的检测进行精确定位，并对薄膜材料进行热压，保证了产品品质的稳定性，设备实现了自动化生产，提高了生产效率和降低了劳动强度。设备广泛应用于汽车行业、便携式电子设备(如：手机、笔记本电脑、掌上电脑)等的氢能源电池的膜电极热压成型。

附图说明：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例电气流程示意图；

图3为本发明实施例电气架构图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，为本发明的实施例，氢能源电池膜电极自动定位热压设备，其机械部分包括：机台，其上设有：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷机构1，质子膜C储料浮辊2，质子膜C一级连续放料牵引机构3，质子膜C放卷纠偏检测4，质子膜C自动定位放料牵引机构5，质子膜C保护膜排废机构6，质子膜C张力传感器、色标传感器7，热压机构12，成品保护膜张力传感器16，二级张力辅助牵引机构17，成品保护膜放卷机构18，成品张力传感器19，成品收卷20；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C自动定位放料牵引机构5后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷机构8，正极膜A及负极膜B付压张力机构9，正极膜A及负极膜B付压纠偏机构10，热压机构12，正极膜A及负极膜B牵引机构14，正极膜A及负极膜B收卷15；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷机构8后面热压机构12前面工位上的白卡纸放卷机构11，热压机构12，白卡纸收卷机构13。

正极膜A、负极膜B及质子膜C的牵引机构的牵引辊尺寸相同，由同步系统控制同步送料，正极膜A及负极膜B黑块位置恰与质子膜C窗口位置对应，送料至热压机构12热压。

光纤传感器检测窗口的位置进行定位送料，检测窗口与PET膜方面须具备色差，光纤传感器距离热压头前侧小于90mm。

其电气部分结构包括：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷磁粉制动器1’，质子膜C纠偏器2’，质子膜C一级连续放料牵引伺服电机3’，质子膜C浮辊电位器4’，质子膜C自动定位放料牵引伺服电机5’，质子膜C上废料收卷伺服电机6’，质子膜C下废料收卷伺服电机7’，热压机构14’，成品上保护膜放卷伺服电机23’，成品下保护膜放卷伺服电机24’，二级张力辅助牵引伺服电机25’，纠偏器26’，成品收卷伺服电机27’；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C自动定位放料牵引伺服电机5’后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷伺服电机8’、9’，正极膜A及负极膜B付压纠偏控制器10’、11’，热压机构14’，正极膜A及负极膜B定位伺服电机21’、22’，正极膜A及负极膜B收卷伺服电机19’、20’；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷伺服电机8’、9’后面热压机构14’前面工位上的白卡纸放卷磁粉控制器11’、12’，热压机构12’，白卡纸废料收卷伺服电机17’、18’。

热压机构14’：包括：相互配合的上压头气缸15’及下压头气缸16’。

所述的氢能源电池膜电极自动定位热压设备另配设有人机界面。

工作时：

1.质子膜C的走料方式及定位精度的保证

质子膜C的走料流程为：

放卷(磁粉控制)→放卷纠偏(独立机构，整体式横向移动)→一级牵引(伺服控制，连续送料)→自动定位牵引(伺服控制，定位送料)→质子膜C保护膜剥离(伺服收卷，闭环张力控制)→热压→成品保护膜复合(伺服闭环张力控制)→二级牵引(伺服扭矩膜式控制)→成品收卷(伺服闭环张力控制。

在以上走料流程中，一级牵引的连续放料在于确保质子膜C的放卷纠偏系统能更好的保证质子膜C窗口的横向定位精度，保护膜的收废及成品保护膜的放卷采用闭环张力控制避免质子膜C走料时的张力不受保护膜收放卷的影响，保证质子膜C横纵向的定位精度不受干扰。质子膜C的二级牵引均在质子膜C上有保护膜的状态下进行，避免质子膜C受到牵引辊的直接挤压，其中第二级牵引伺服电机工作在力矩膜式，通过调整其输出扭矩保证质子膜C在热压及间歇送料过程中的张力稳定，成品收卷由伺服电机独立驱动，并采用闭环张力控制和纠偏控制，保证成品收卷的松紧度及端面的平整度。

在质子膜C的定位送料过程中，由光纤传感器检测窗口的位置(窗口与PET膜方面须具备色差)进行定位送料，为保证定位精度光纤传感器距离热压头前侧需小于两个单位的尺寸(90mm)，且定位控制系统需具有记忆功能。

2.正极膜A及负极膜B的走料方式(牵引、纠偏、张力等)及定位精度的保证

正极膜A及负极膜B走料流程为：

放卷(伺服驱动，自动张力控制)→负压过程纠偏→负压张力控制→热压→牵引(伺服定位控制)→收卷(伺服控制)

正极膜A及负极膜B采用与质子膜C相同的伺服定位送料方式使A、B上的黑块与质子膜C上的窗口进行精确定位，正极膜A及负极膜B放卷后装有2组负压板，一组为具有纠偏功能的负压板确保横向定位精度，另一组负压板的作用是保证送料及合压时的张力稳定性，由光纤传感器检测黑块位置在纵向定位系统控制下与热压头进行纵向精确定位，光纤传感器和热压头的距离尽可能小，以避免正极膜A及负极膜B拉伸变形带来的积累误差影响正极膜A及负极膜B的定位精度。

为确保正极膜A及负极膜B在每一单元的送料后与质子膜C的完全分离，剥离板离热压

头侧面的距离须小于12mm。

3.白卡纸走料方式：

白卡纸走料流程：

放卷(磁粉张力控制)→定量辊(编码器)→伺服收卷

白卡纸作为热压时的垫层，由收卷伺服电机通过检测定量辊上的编码信号进行与A、B、C同步间歇式送料，每次送料尺寸为35mm，确保上一单元热压时留下的压痕离开下一热压工作位置。

4.A、B、质子膜C的送料同步

A、B、质子膜C在热压完成后进行送料时，如果三层材料的送料不同步将影响黑块在质子膜C上的附着效果。为此，A、B、质子膜C的牵引辊均采用同一尺寸，在同步系统控制下实现速度同步送料，当正极膜A及负极膜B与质子膜C完全分离后进入各自定位控制状态(黑块间隔15mm)。

5.A、B、质子膜C的牵引跑偏控制

A、B、质子膜C在牵引送料过程中，通过牵引力控制、牵引压辊压力均匀性控制及纠偏控制等措施，保证薄膜材料经纠偏装置后，在牵引侧不出现跑偏现象。

6.A、B、质子膜C的牵引打滑判断与控制

为处理A、B、质子膜C在牵引运动中出现的打滑故障，在定位光电传感器的前方即靠近压头处，预留打滑检测传感器的安装位置。如果实际运行时出现严重打滑问题，除了改进机械传动装置，还须安装打滑传感器，并采用软件方法，进行打滑判断和控制。

7.A、B、质子膜C三种材料的定位热压

A、B、C三种材料在热压工作位定位后，热平压机构的压头合压、保压10秒左右。随后热平压机构的压头离压，A、B、质子膜C送料系统进下一轮送料，在送料过程中对正极膜A及负极膜B进行剥离及废料收卷。在热压过程中压头上垫有200克白卡纸作为垫层对正极膜A及负极膜B进行加热。

上热压头由一个增压气缸驱动，下压头由电机驱动丝杆，并通过机械限位的方式控制下压头的位置。热压时，首先使下压头上升至工作位置，并保持在工作位置；热压头的行程为50mm，分两段行程控制，上下压头第一行程30mm，此时上下热压面的距离为40mm，处于热压的等待阶段；当控制系统接收到送料停止的信号时，控制上下压头进行压合，实现定位热压，并通过时间设定调节热压的保压时间；当设备处于停机状态时，上下热压头完全退回原位，此时上下热压面的距离为100mm，热源远离材料，以免停机状态下伤及材料。通过精密调压阀调节上压头工作压力大小。

为了达到良好的热压效果，须确保上下热压头工作面的平面度(0.02mm)和平行度(±0.01mm)及温度控制精度(±1℃)，采取如下措施：

(1)上下热压头的平行度保证

上下热压头安装在同一组的导柱上，以确保上下热压面的平行度。下热压头采用刚性安装，上热压头则采用球面联结的安装方式，并通过在上压头的导柱与导套的配合间隙来改善装配后上下压头接触面的平行度。

(2)上下热压头加热温度的控制

热压头采用电磁加热的方式，保证工作温度的恒定及温度控制精度；为防止压头边缘的热量在空气中散发，影响压头周边温度，四面采用隔热材料保温，以保证上下压头平面的温度均衡。四周的隔热材料比上下压块实际工作面略低，避免热压时隔热材料接触到被加工薄膜材料。

(3)加热块材料

加热块采用导热性好、耐磨性好且具有一定硬度的材料。

8.电气定位控制

A、B、质子膜C在热压头工位的定位，采用色标传感器位置检测与伺服牵引辊编码器位移检测相结合，通过电气控制系统程序算法，实现膜的精确定位和循环控制。

电气部分工作时：

1、质子膜C走料控制原理

张力控制器自动调节磁粉制动器1’的输出力矩控制质子膜C的放卷张力，一级牵引伺服电机3’在同步系统控制下通过检测热压部分14’的工作频率，根据设定的步进送料长度尺寸对质子膜C进行连续送料，浮辊电位器4’通过检测高低位信号对一级牵引伺服电机3’的送料进行修正。纠偏器2’对质子膜C横向送料精度进行控制。质子膜C自动定位放料牵引伺服电机5’通过设定的送料尺寸及色标传感器信号对质子膜C进行精确的定位送料，并由二级牵引伺服电机25’以力矩膜式保证热压时质子膜C的张力恒定，经二级牵引伺服25’后由纠偏器26’保证成品的横向精度，再由成品收卷伺服电机27’进行成品收卷。

2、正极膜A及负极膜B的走料控制原理

正极膜和B膜的控制原理相同，由放卷伺服电机8’、9’分别控制正极膜A及负极膜B的放卷张力，经纠偏控制器10’、11’的横向定位后由定位伺服电机21’、22’进行定位送料后由废料收卷伺服电机19’、20’进行收卷(正极膜A及负极膜B的定位送料控制原理与质子膜C相同)。

3、质子膜C保护膜收卷控制原理

质子膜C保护膜收卷分别由收卷伺服电机6’、7’完成，并在张力系统控制下通过张力传感器的感应信号进行恒张力收卷。

4、白卡纸送料控制

白卡纸送料控制系统通过走纸辊上编码器的输出脉冲信号由收卷伺服电机17’、18’进行收卷并同时进行间歇式定长送料，磁粉控制器12’、13’通过调节输出扭矩控制白卡纸的放卷张力。

5、成品保护膜控制

成品保护膜分别由放卷伺服电机23’、24’进行放料，并通过张力控制系统调节输出扭矩控制放卷张力的大小。

本发明可全自动对多层材料同时进行定量输送，通过光纤传感器的检测进行精确定位，并对薄膜材料进行热压，保证了产品品质的稳定性，设备实现了自动化生产，提高了生产效率和降低了劳动强度。设备广泛应用于汽车行业、便携式电子设备(如：手机、笔记本电脑、掌上电脑)等的氢能源电池的膜电极热压成型。

Claims (3)

1.氢能源电池膜电极自动定位热压设备，其特征在于：其机械部分包括：机台，其上设有：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷机构(1)，质子膜C储料浮辊(2)，质子膜C一级连续放料牵引机构(3)，质子膜C放卷纠偏检测(4)，质子膜C自动定位放料牵引机构(5)，质子膜C保护膜排废机构(6)，质子膜C张力传感器、色标传感器(7)，热压机构(12)，成品保护膜张力传感器(16)，二级张力伺服牵引机构(17)，成品保护膜放卷机构(18)，成品张力传感器(19)，成品收卷(20)；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C自动定位放料牵引机构(5)后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷机构(8)，正极膜A及负极膜B负压张力机构(9)，正极膜A及负极膜B负压纠偏机构(10)，热压机构(12)，正极膜A及负极膜B牵引机构(14)，正极膜A及负极膜B收卷(15)；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷机构(8)后面热压机构(12)前面工位上的白卡纸放卷机构(11)，热压机构(12)，白卡纸收卷机构(13)；

正极膜A、负极膜B及质子膜C的牵引机构的牵引辊尺寸相同，由同步系统控制同步送料，正极膜A及负极膜B黑块位置恰与质子膜C窗口位置对应，送料至热压机构(12)热压。

2.如权利要求1所述的氢能源电池膜电极自动定位热压设备，其特征在于：

光纤传感器检测窗口的位置进行定位送料，检测窗口与PET膜方面须具备

色差，光纤传感器距离热压头前侧小于90mm。

3.如权利要求1、2或3所述的氢能源电池膜电极自动定位热压设备，其特征在于：其电气部分结构包括：

质子膜C走料机构：包括依次连接配合的质子膜C放卷磁粉制动器(1’)，质子膜C纠偏器(2’)，质子膜C一级连续放料牵引伺服电机(3’)，质子膜C浮辊电位器(4’)，质子膜C自动定位放料牵引伺服电机(5’)，质子膜C上废料收卷伺服电机(6’)，质子膜C下废料收卷伺服电机(7’)，热压机构(14’)，成品上保护膜放卷伺服电机(23’)，成品下保护膜放卷伺服电机(24’)，二级张力辅助牵引伺服电机(25’)，纠偏器(26’)，成品收卷伺服电机(27’)；

正极膜A及负极膜B走料机构：包括依次连接配合的设置在质子膜C自动定位放料牵引伺服电机(5’)后面工位上的正极膜A及负极膜B放卷伺服电机(8’)、(9’)，正极膜A及负极膜B付压纠偏控制器(10’)、(11’)，热压机构(14’)，正极膜A及负极膜B定位伺服电机(21’)、(22’)，正极膜A及负极膜B收卷伺服电机(19’)、(20’)；

白卡纸走料机构：包括依次配合的设置在正极膜A及负极膜B放卷伺服电机(8’)、(9’)后面热压机构(14’)前面工位上的白卡纸放卷磁粉控制器(11’)、(12’)，热压机构(12’)，白卡纸废料收卷伺服电机(17’)、(18’)。

热压机构(14’)：包括：相互配合的上压头气缸(15’)及下压头气缸(16’)。

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