CN111217182A

CN111217182A - 卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法

Info

Publication number: CN111217182A
Application number: CN201811417401.1A
Authority: CN
Inventors: 吴鸿志; 邱重融; 唐世谦; 林俊成; 郭永麟
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明提供一种恒张力运转运动曲线规划方法，用于一卷料装置，其中该卷料装置包括一送料电机及一卷料电机，该方法包括：依据该卷料电机的一卷芯的形状建立相应的一运转运动曲线；控制该送料电机以一固定线速度输送一卷料至该卷料电机；以及依据该运转运动曲线控制该卷料电机的该卷芯的转速，使得该卷料卷绕于该卷芯上时具有一恒定张力。

Description

卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法

技术领域

本发明涉及卷料设备，特别涉及一种卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法。

背景技术

随着各种电子产品的发展，锂电池的需求量也极速地增加，因此对锂电池生产设备的性能及生产效率的要求也愈来愈高。锂电池的制作通常是由锂电池卷绕设备所完成，其中锂电池的品质会受到控制极片张力方法的影响。为了让锂电池的极片所受的张力值范围趋近一定值，需要考量到在卷绕时的极片表面的线速度。传统的张力控制方法并无法针对不同的卷芯形状以一致的方式设计相应的卷绕规划曲线，故容易产生极片张力不稳定的情况。

因此，需要一种卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种卷料装置，包括：一送料电机；一卷料电机，包括一卷芯；以及一控制装置，用以控制该送料电机及该卷料电机；其中该控制装置依据该卷料电机的该卷芯的形状建立相应的一运转运动曲线，并控制该送料电机以一固定线速度输送一卷料至该卷料电机，其中该控制装置依据该运转运动曲线控制该卷料电机的该卷芯的转速，使得该卷料卷绕于该卷芯上时具有一恒定张力。

本发明更提供一种恒张力运转运动曲线规划方法，用于一卷料装置，其中该卷料装置包括一送料电机及一卷料电机，该方法包括：依据该卷料电机的一卷芯的形状建立相应的一运转运动曲线；控制该送料电机以一固定线速度输送一卷料至该卷料电机；以及依据该运转运动曲线控制该卷料电机的该卷芯的转速，使得该卷料卷绕于该卷芯上时具有一恒定张力。

附图说明

图1A是显示依据本发明一实施例中的一卷料装置的方框图。

图1B是显示依据本发明另一实施例中的一卷料装置的方框图。

图1C是显示本发明图1A的实施例中的卷料装置的侧视图。

图2是显示依据本发明一实施例中的卷料装置的操作流程的示意图。

图3是显示依据本发明图2的实施例中的方块204的流程图。

图4是显示依据本发明一实施例中的恒张力运转运动曲线规划方法的流程图。

图5A是显示依据本发明一实施例中不规则多边形的卷芯及其特征点的示意图。

图5B是显示依据本发明图5A实施例中计算卷芯的切线至中心点的垂直距离的示意图。

图5C～图5F是显示依据本发明一实施例中不同形状的卷芯及其特征点的示意图。

图5G是显示依据本发明一实施例中的椭圆形的卷芯及预定角度范围的示意图。

图5H是显示依据本发明图5G实施例中计算卷芯的切线至中心点的垂直距离的示意图。

图5I及图5J是显示依据本发明图5G实施例中计算卷芯在不同旋转角度的切线至中心点的垂直距离的示意图。

图6A是显示依据本发明图5A的实施例中的卷芯的卷绕图形的示意图。

图6B是显示依据本发明图5A的实施例中的卷芯的运转运动曲线的示意图。

附图标记说明：

100～卷料装置；

110～送料电机；

120～卷料电机；

130、130A、130B～控制装置；

111、121～滚轴；

112、122～驱动装置；

113～滚轮；

114～卷料；

123～卷芯；

124～张力感测器；

131～通信通道；

202－212、302－310～方块；

S410－S430～步骤；

500～送料点；

501、503、505、507、509、520～中心点；

502、504、506、508、510～拉线转折点；

511－513～切点；

610、620～曲线；

d～垂直距离；

d_max～最大垂直距离；

θ～预定角度；

R～半径。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。

图1A是显示依据本发明一实施例中的一卷料装置的方框图。在一实施例中，卷料装置100包括一送料电机110、一卷料电机120、及一控制装置130。

送料电机110包括一滚轴111、一驱动装置112、及一滚轮113。驱动装置112用以控制滚轴111的转动的方向及速度，且滚轴111可带动滚轮113进行转动。当驱动装置112接收来自控制装置130的控制信号以控制滚轴111进行转动，滚轮113可带动卷料114经由送料点500以输送至卷料电机120。上述卷料114可为平面卷料(例如片材或板材)、或是其他类型的卷料(例如线材)。

卷料电机120包括一滚轴121、一驱动装置122、一卷芯123、及一张力感测器124。

驱动装置122用以驱动滚轴121的转动的方向及速度。卷芯123置于驱动装置122中，且卷芯123为可抽换式。滚轴121可带动卷芯123进行转动以对卷料114进行卷绕。张力感测器124可实时测量卷料114的表面张力，并将所检测到的卷料114的表面张力回报至控制装置130。在一实施例中，卷芯123的横截面可为任意形状，例如圆形、椭圆形、正方形、长方形、扇形、多边形、六角形、或不规则多边形等等，但本发明并不限于此。

详细而言，卷料装置100例如可为一电子凸轮控制系统，其中滚轴111(即送料轴)例如为一主轴，滚轴121(即卷绕轴)例如为一从轴，且送料电机110的滚轮113及卷料电机120的卷芯123例如可分别视为电子凸轮。

在一实施例中，送料电机110的滚轴111及卷料电机120的卷芯123为平行设置，且控制装置130可同步控制送料电机110的滚轴111及卷料电机120的卷芯123以相同的转动方向进行转动，例如同为顺时针方向或逆时针方向。此外，控制装置130可分别控制送料电机110及卷料电机120的转动速度。

图1B是显示依据本发明另一实施例中的一卷料装置的方框图。在另一实施例中，在图1B中的卷料装置100与图1A中的卷料装置100类似，其差别在于图1B中的卷料装置100的送料电机110及卷料电机120可分别具有相应的一控制装置130A及130B，且控制装置130A及130B之间具有一通信通道131以互相进行沟通，借此同步控制送料电机110的滚轴111及卷料电机120的卷芯123以相同的转动方向进行转动，例如同为顺时针方向或逆时针方向。

图1C是显示本发明图1A的实施例中的卷料装置的侧视图。请同时参考图1A及图1C，控制装置130同步控制送料电机110的滚轴111及卷料电机120的滚轴121以顺时针方向进行转动，且卷料114会由送料电机110的滚轮113的送料点500输送至卷料电机120的卷芯123，且卷料114会被卷芯123所卷绕。

举例来说，卷料114例如可为锂电池中的极片，当对卷料114进行卷绕一预定长度后，即可利用一裁切装置(未示出)将卷料114进行裁切，以形成锂电池中的电池芯。

图2是显示依据本发明一实施例中的卷料装置的操作流程的示意图。请同时参考图1A及图2。

在方块202，设定卷芯模型。举例来说，本发明中的送料电机110的滚轮111具有一滚轴速度设定，例如以一固定每秒转动次数(revolutions per second，rps)。此外，卷芯123的横截面的形状可称为卷绕图形，例如为圆形、椭圆形、正方形、长方形、扇形、多边形、六角形、或不规则多边形等等，但本发明并不限于此。

在方块204，规划卷芯123的运转运动曲线。举例来说，控制装置130依据在方块202中所设定的卷芯模型及滚轴速度设定以规划卷芯123的运转运动曲线，使得卷料114在卷绕于卷芯123上的过程中可以一直维持在一恒定张力，其细节将详述于后。

在方块206，送料电机110以一固定线速度(例如第一速度)将卷料114输送至卷料电机120。需注意的是，在方块204中所产生的运转运动曲线适用于卷芯123的运转运动，并非用于送料电机110的滚轮113。此外，转轴111具有固定每秒转动次数，且每秒转动次数可换算为每秒的转动速度(例如每秒旋转一固定角度或径度)，意即转轴111可带动滚轮113以相同的固定每秒转动速度进行转动。当每秒转动速度再乘上转轴111的中心至卷料的距离(例如滚轮113的半径)，可得到一固定线速度。因此，卷料114会以上述固定线速度被输送至卷料电机120。

在方块208，卷料电机120依据运转运动曲线对卷料114进行卷绕。举例来说，卷芯123在转动时的角速度并非定值，而是会依据控制装置130所规划的运转运动曲线(与卷芯的形状有关)在不同的旋转角度有不同的角速度(例如为第二速度)。

在方块210，在卷芯123上形成卷绕的卷料114。举例来说，卷料114的卷绕依据上述第一速度及第二速度所形成，且在方块204中所产生的运转运动曲线适用于卷芯123的运转运动，且可配合第一速度及卷芯123的形状，使得卷绕后的卷料114的表面张力维持在一恒定张力。

在一些实施例中，图2中的卷料装置的操作流程还包括方块212。举例来说，可利用张力感测器124实时检测卷料114在卷绕时的表面张力，并将所检测到的卷料114的表面张力回报至控制装置130。意即，在方块212，将卷料114的表面张力反馈至滚轴速度设定，例如可利用一比例积分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器进行上述的反馈控制，借此进一步微调送料电机110的送料速度以达到更好的恒张力效果。在一实施例中，上述比例积分微分控制器可设置于控制装置130中。在另一实施例中，上述比例积分微分控制器可单独设置于控制装置130及送料电机110之间。

图3是显示依据本发明图2的实施例中的方块204的流程图。请同时参考图2及图3。

在方块302，输入卷绕图形R(θ)的关系式。举例来说，控制装置130可预先建立卷芯123的不同卷绕图形的关系式。以图5A中的六角形为例，其卷绕图形的关系式R(θ)例如为图6A中的曲线610，其中R(θ)即表示卷芯123的中心点至卷芯123的卷绕图形的距离与旋转角度的关系式。本发明领域中技术人员当可了解建立卷绕图形R(θ)的关系式的过程，故其细节于此不再详述。以图5A中的六角形的卷芯123为例，其中心点501即为转轴121的中心点。接着，控制装置130依据使用者定义的规则进行取样，控制装置130可将在360度的转动范围划分为多个预定角度范围，且卷芯123每旋转一预定角度θ即计算一取样参考点，其中上述预定角度θ例如可为1度(即有360个预定角度范围)，但本发明并不限于此。完成上述取样处理后，控制装置130即可得到在各预定角度范围内卷芯123的卷绕图形的一或多个特征点，例如在图5A的六角形的边角点。需注意的是，在各预定角度范围内在卷芯123的卷绕图形上的一或多个特征点并不限定于边角点，上述一或多个特征点可以是关系式R(θ)的曲线在各预定角度范围内具有相对最大距离R的点，但本发明并不限于此。

在方块304，计算各特征点的切线到旋转中心的垂直距离。举例来说，在图5B中的卷芯123为逆时针旋转，以卷芯123的中心点501(即转轴121的中心点)与卷材114(或输送卷材114用的输送带)的送料点500的连线为基准。当卷芯123每旋转一预定角度，控制装置130则计算在卷芯123的卷绕图形在上述旋转的预定角度范围内的各特征点与送料点500的连线(即切线)到中心点501的垂直距离d。需注意的是，在图5B～图5J中所标示的送料点500与图1A～图1C中所标示的送料点500只是相对位置不同，但其功能相同。

在方块306，决定具有最大距离的特征点为拉线转折点。举例来说，控制装置130由在各预定角度范围内的各特征点相应的垂直距离d决定出最大垂直距离d_max及其相应的特征点，此特征点即为拉线转折点(或称为拉料转折点)，例如图5B中的拉线转折点502。在一些实施例中，当卷芯123的形状分别为图5C～图5F中的方形、扇形、多边形、及不规则多边形时，且中心点分别为503、505、507、及509。控制装置130亦可依据类似方式分别计算出在图5C～图5F中的卷芯123的拉线转折点504、506、508、及510。

在方块308，利用定转速以推得卷芯的固定线速度。举例来说，送料电机110的转轴111以一固定每秒转动次数(revolutions per second，rps)进行转动，且每秒转动次数可换算为每秒的转动速度，例如每秒旋转一固定角度(degree/sec)或径度(rad/sec)。意即转轴111可带动滚轮113以相同的固定每秒转动速度进行转动。当每秒转动速度再乘上转轴111的中心至卷料114的距离(意即滚轮113的半径)，可得到一固定线速度，例如可称为卷芯表面线速度v_⊥。

在方块310，根据角速度及线速度关系以计算固定线速度下的w(θ)、θ(t)及w(t)。其中，w(θ)为卷芯转轴运转速度；θ(t)为单位时间内的角度(degree)变化量，即角度变化率(degree/sec)；w(t)为单位时间内的径度(rad)变化量，即径度变化率(rad/sec)。

卷芯转轴运转速度w(θ)例如可由方程式(1)表示：

其中d_max(θ)为在各预定角度范围中，卷芯123的中心点至拉线转折点的距离。控制装置130可依据已知的角速度及角度变化关系以计算出单位时间(t)内的角度变化量，此即角度变化率θ(t)。此外，径度变化率例如可由方程式(2)表示：

其中，将卷芯转轴运转速度w(θ)乘以角度变化率θ度变化的微分值即可得到径度变化率w(t)。

控制装置130反复进行图3的流程以计算出卷芯123在各个预定角度范围内所需的卷芯转轴运转速度w(θ)或是径度变化率w(t)以建立卷芯123的运转运动曲线。意即，卷料电机120的滚轴121在不同的预定角度范围内可具有不同的角速度，且可让卷绕的卷芯123达到恒定张力。举例来说，若以图5A中的六角形为例，卷芯123的卷绕图形的关系式R(θ)例如为图6A中的曲线610，且其相应的运转运动曲线例如为图6B中的曲线620。从图6B中可看出卷芯123在不同的旋转角度下的角速度(径度变化率)均不同。

在一些实施例中，当卷芯123的形状分别为图5C～图5F中的方形、扇形、多边形、及不规则多边形时，控制装置130可依据本发明图3中的演算法计算出不同形状的卷芯123相应的运转运动曲线，使得卷材114在使用不同形状的卷芯123时均可达到固定送料线速度及卷材的恒定张力的目的。

在一些实施例中，卷芯123的形状例如可为图5G中所示的椭圆形，且同样以逆时针方向进行旋转。控制装置130可同样依照图3中的流程进行计算。例如先计算在卷芯123中的半径R及旋转角度θ的关系式。接着，计算在预定角度范围内中的各点切线到中心点510的距离d。举例来说，椭圆形的轮廓在预定角度范围中的各点例如均可为一切点且具有相应的切线，故控制装置130需计算出在预定角度范围中具有最大垂直距离d_max的特征点(例如切点511)以做为拉线转折点，如图5H所示。

图5I及图5J示出了椭圆形的卷芯123旋转至不同角度时，控制装置130可分别计算出切点512及513为拉线转折点。

在步骤S410，依据卷料电机120的一卷芯123的形状建立相应的一运转运动曲线。卷芯123的横截面的形状可称为卷绕图形，例如为圆形、椭圆形、正方形、长方形、扇形、多边形、六角形、或不规则多边形等等，但本发明并不限于此。其中卷芯123的运转运动曲线。

在步骤S420，控制送料电机110以一固定线速度输送一卷料至卷料电机120。举例来说，送料电机110的转轴111以一固定每秒转动次数(revolutions per second，rps)进行转动，且每秒转动次数可换算为每秒的转动速度(例如每秒旋转一固定角度或径度)，意即转轴111可带动滚轮113以相同的固定每秒转动速度进行转动。当每秒转动速度再乘上转轴111的中心至卷料的距离(例如滚轮113的半径)，可得到一固定线速度。因此，卷料114会以上述固定线速度被输送至卷料电机120。

在步骤S430，依据该运转运动曲线控制卷料电机120的卷芯123的转速，使得卷料114卷绕于卷芯123上时具有一恒定张力。举例来说，卷芯123的运转运动曲线例如可依据图3的实施例的流程所产生，运转运动曲线符合卷芯123的形状的特性，且可让卷芯123在不同的预定角度范围中可具有不同的角速度，使得卷料114卷绕于卷芯123上时具有恒定张力。

综上所述，本发明提供一种卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法，其可对不同形状的卷芯(可为已知规则形状或不规则形状)进行计算，以得到在不同旋转角度下的卷料电机的卷芯旋转的角速度，例如可计算得到一卷料电机的卷芯的运转运动曲线，并基于该运转运动曲线控制卷料电机的卷芯在不同旋转角度下的角速度。在送料速度为固定线速度下，可达到卷料时卷芯受到的张力为恒定的效果。本发明的曲线规划方法可适用于平面卷料(片材、板材)，亦可适用于其他类型的卷料(例如线材)。本发明中的卷料装置可搭配电子凸轮对送料电机和卷料电机进行主从控制，以达到更好的多轴同动效果。

此外，本发明中的卷料装置及恒张力运转运动曲线规划方法可搭配比例积分微分控制器进行卷料的表面张力的反馈控制，借此进一步微调送料电机110的送料速度以达到更好的恒张力效果。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种卷料装置，包括：

一送料电机；

一卷料电机，包括一卷芯；以及

一控制装置，用以控制该送料电机及该卷料电机；

其中该控制装置依据该卷料电机的该卷芯的形状建立相应的一运转运动曲线，并控制该送料电机以一固定线速度输送一卷料至该卷料电机，

其中该控制装置依据该运转运动曲线控制该卷料电机的该卷芯的转速，使得该卷料卷绕于该卷芯上时具有一恒定张力。

2.如权利要求1所述的卷料装置，其中该控制装置依据该卷芯的中心点至该卷芯的卷绕图形的距离与旋转角度的关系式以取得在多个预定角度范围的各预定角度范围内在该卷芯的卷绕图形上的一或多个特征点，并依据该一或多个特征点以建立该运转运动曲线。

3.如权利要求2所述的卷料装置，其中该控制装置计算该卷芯的卷绕图形在各预定角度范围内的各特征点的切线至该卷芯的中心点的垂直距离，并决定具有最大垂直距离的该特征点为一拉线转折点，且该控制装置更依据在各预定角度范围内的该拉线转折点以建立该运转运动曲线。

4.如权利要求3所述的卷料装置，其中该控制装置依据该送料电机的转轴的一固定转动速度以计算该送料电机的该固定线速度，依据该送料电机的该固定线速度以及在各预定角度范围内的该拉线转折点与该卷芯的中心点的距离以计算出在各预定角度范围内的该卷料电机的该卷芯的一卷芯转轴运转速度，并依据各预定角度范围相应的该卷芯转轴运转速度以建立该运转运动曲线。

5.如权利要求1所述的卷料装置，还包括：

一张力感测器，用以检测该卷料卷绕于该卷芯上的一表面张力，并将所检测到的该表面张力反馈至一比例积分微分控制器，且该比例积分微分控制器依据所接收到的该表面张力以微调该送料电机的该固定线速度。

6.如权利要求1所述的卷料装置，其中该卷料为一平面卷料或一线材。

7.一种恒张力运转运动曲线规划方法，用于一卷料装置，其中该卷料装置包括一送料电机及一卷料电机，该方法包括：

(A)依据该卷料电机的一卷芯的形状建立相应的一运转运动曲线；

(B)控制该送料电机以一固定线速度输送一卷料至该卷料电机；以及

(C)依据该运转运动曲线控制该卷料电机的该卷芯的转速，使得该卷料卷绕于该卷芯上时具有一恒定张力。

8.如权利要求7所述的方法，其中在步骤(A)中：

依据该卷芯的中心点至该卷芯的卷绕图形的距离与旋转角度的关系式以取得在多个预定角度范围的各预定角度范围内在该卷芯的卷绕图形上的一或多个特征点；以及

依据该一或多个特征点建立该运转运动曲线。

9.如权利要求8所述的方法，其中该步骤(A)还包括：

计算该卷芯的卷绕图形在各预定角度范围内的各特征点的切线至该卷芯的中心点的垂直距离，并决定具有最大垂直距离的该特征点为一拉线转折点；以及

依据各预定角度范围内的该拉线转折点以建立该运转运动曲线。

10.如权利要求9所述的方法，其中该步骤(A)还包括：

依据该送料电机的转轴的一固定转动速度以计算该送料电机的该固定线速度；

依据该送料电机的该固定线速度以及在各预定角度范围内的该拉线转折点与该卷芯的中心点的距离以计算出在各预定角度范围内的该卷料电机的该卷芯的一卷芯转轴运转速度；以及

依据各预定角度范围相应的该卷芯转轴运转速度以建立该运转运动曲线。

11.如权利要求9所述的方法，其中该卷料装置还包括一张力感测器，且该方法还包括：

利用该张力感测器检测该卷料卷绕于该卷芯上的一表面张力，并将所检测到的该表面张力反馈至一比例积分微分控制器；以及

利用该比例积分微分控制器依据所接收到的该表面张力以微调该送料电机的该固定线速度。

12.如权利要求7所述的方法，其中该卷料为一平面卷料或一线材。