CN204508356U - 一种张力控制装置及自动卷绕机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于锂电池自动卷绕的极片或者隔离膜张力控制的张力控制装置及自动卷绕机。该装置包括：旋转驱动机构、摆棍机构、离合器、张力检测机构和张力控制器。离合器输入端与旋转驱动机构输出端联接，输出端与摆棍机构联接。张力检测机构与张力控制器连接，张力控制器与离合器连接。张力控制装置通过张力检测机构实时检测极片或者隔离膜的张力大小，并传输给张力控制器，张力控制器控制离合器的工作状态，使离合器快速的分离和接合，从而改变摆棍机构的输出力矩，使极片或者隔离膜张力在摆棍机构的牵引下发生微小的变化，采用闭环反馈的调节方式，使带状薄料张力趋于恒定，带状薄料张力控制响应快，准确度高，稳定性好。

Description

一种张力控制装置及自动卷绕机

技术领域

本申请涉及锂电池自动卷绕设备领域，尤其涉及一种张力控制装置和自动卷绕机。

背景技术

随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他应用领域发展。锂电池的广泛应用，促进了锂电池制造行业的发展。

目前，在锂电池制造行业中，方形电芯通过卷绕设备完成卷绕。隔离膜或极片等带状薄料经放卷工位处的放卷装置放卷后，输送到收卷工位，在收卷工位处，由呈椭圆形状的卷针夹着按照一定顺序叠放的极片和隔离膜收卷，后剪切和贴胶，形成裸电芯。在自动卷绕机上隔离膜或极片等带状薄料经过放卷后，输送到卷针处开始卷绕，当卷针旋转时，卷针进料处的线速度时刻都在发生变化，而卷针进料的线速度与隔离膜或极片等带状薄料的输送的线速度不能完全同步，因此隔膜或极片等带状薄料的张力在传输过程中出现波动；再加上锂电池电芯卷绕设备上的部件之间的摩擦等各方面机械原因也会造成隔膜或极片等带状薄料卷绕时的张力波动。张力波动易引起卷绕后的锂电池电芯层与层之间的接触不良、起皱及变形等问题，严重影响了卷绕出来的锂电池电芯的质量，降低了锂电池电芯的合格率，这些都严重制约了锂电池推广应用的速度。

为减小隔膜或极片等带状薄料在卷绕过程中的张力波动，使这些带状薄料的张力趋于恒定，通常在卷料放料工位和收卷工位之间设置张力控制装置。张力控制装置通过调整绕过该装置带状薄料的张力大小，从而使电芯在卷绕过程中带状薄料的张力趋于恒定。另外，在一些设备中也采用调整带状薄料放卷的速度，调整带状薄料的张力。

在这些张力控制装置中，较为先进的是采用伺服电机输出恒扭矩的张力控制模式。在这种模式中，伺服电机输出恒定扭矩，对带状薄料产生恒定的牵引力，其输出扭力不随带状薄料张力的变化而变化，其张力控制方式为开环控制。但在卷绕过程中，带状薄料张力是实时变化的，其输出扭矩恒定，不能随着带状薄料张力的变化实时调整，带状薄料的张力仍然存在较大波动。

发明内容

本申请提供一种响应快、准确度高和稳定性好的锂电池极片或者隔离膜张力控制装置和自动卷绕机。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种张力控制装置，包括：旋转驱动机构、摆棍机构，离合器，张力检测机构和张力控制器，所述离合器输入端与旋转驱动机构输出端联接，输出端与摆棍机构联接；所述张力检测机构与张力控制器连接；所述张力控制器与离合器连接。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种自动卷绕机，包括机架和放卷装置，所述放卷装置用于将极片或隔离膜卷料放卷，所述放卷装置安装在机架上，还包括一种张力控制装置，该张力控制装置包括：旋转驱动机构、摆棍机构、离合器、角度传感器、张力检测机构和张力控制器，所述离合器输入端与旋转驱动机构输出端联接，离合器输出端与摆棍机构联接；所述张力检测机构与张力控制器连接；所述张力控制器与离合器连接；所述角度传感器安装在摆棍机构上，用于检测摆棍机构的摆动信息。

该张力控制装置通过张力检测机构实时检测带状薄料张力信息，并将带状薄料张力信息实时传输给张力控制器，张力控制器根据采样到的带状薄料张力信息控制离合器的工作状态，在这一过程中，与离合器输入端联接的旋转驱动机构保持恒转速转动，且其输出扭矩也恒定，当带状薄料张力信息变化的时候，离合器快速的接合和分离，改变离合器输出端的输出扭矩，进而改变与离合器输出端相联接的摆棍机构的输出扭矩，使摆棍机构小幅度摆动，对带状薄料的张力进行闭环反馈调整，这种张力控制响应快，准确度高，稳定性好。

附图说明

图1为本申请张力控制装置一种实施例(未包括张力检测机构和张力控制机构)的结构示意图；

图2为本申请张力控制装置一种实施例(包括张力检测机构和张力控制机构)的结构示意图；

图3为图2张力检测机构的结构示意图；

图4为本申请自动卷绕机一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请的张力控制装置通过张力检测机构实时检测带状薄料张力信息，并将带状薄料张力信息实时传输给张力控制器，张力控制器控制离合器的工作状态，使离合器快速的接合和分离，使摆棍机构小幅度摆动，动态调整与离合器相连接的摆棍机构的输出扭矩，采用闭环反馈的方式对带状薄料的张力进行调 整，使带状薄料的张力在摆棍机构，放卷装置和卷针的牵引下趋于恒定。

本申请的张力控制装置采用离合器控制带状薄料的张力大小。离合器是机械传动中的常用部件，可将传动系统快速分离或接合。其工作状态主要分为三种情况，分离、接合和半接合状态。在分离状态，离合器输出端的输出扭矩为0N·m；在接合状态离合器输出端的扭矩与离合器输入端的扭矩大小相等。在半接合状态，离合器输出端的输出扭矩与离合器的接合程度有关系。通常离合器输出端的输出扭矩小于等于离合器输入端的输入扭矩。

实施例一：

本实施例一提供一种张力控制装置100。

请参考图1至图4，该装置包括：旋转驱动机构10、离合器20、摆棍机构30、张力检测机构40和张力控制器50。离合器20的输入端与旋转驱动机构10输出端联接，离合器20的输出端与摆棍机构30联接。张力检测机构40与张力控制器50连接。张力控制器50与离合器20连接。张力检测机构40实时检测带状薄料张力信息，并将带状薄料张力信息实时传输给张力控制器50。张力控制器50根据张力检测机构40采样到的张力信息，控制离合器20的工作状态，使离合器20快速的接合和分离，改变离合器20输出端的输出力矩，使摆棍机构30小幅度摆动，从而改变摆棍机构30的输出力矩，进而改变绕过摆棍机构的带状薄料的张力，实现带状薄料张力的闭环反馈调整。

其中，在本实施例中，摆棍机构30通过第一联轴器81与离合器20的输出端联接，旋转驱动机构10输出端通过第二联轴器82与离合器20的输入端联接。旋转驱动机构10的输出力矩通过第二联轴器82，离合器20和第一联轴器81传输到摆棍机构30，张力控制器50与张力检测机构40连接，张力控制器50与离合器20连接。张力检测机构40采集带状薄料的张力信息。张力控制器50将张力信息转换为可变电信号，控制离合器20的工作状态。

当然，摆棍机构30、离合器20和旋转驱动机构10之间的连接方式不仅限于此。在其他的实施例中，摆棍机构30直接与离合器20的输出端键连接，离合器20的输入端与旋转驱动机构10的输出端键连接。

其中，在本实施例中，摆棍机构30包括动棍组件31和定棍组件32。动棍组件31与离合器20输出端连接，定棍组件固定安装。动棍组件包括至少一个张力摆臂313和至少一个张力摆棍，该张力摆臂313与离合器20输出端联接，该张力摆棍安装在张力摆臂313上。

较优是，动棍组件包括第一张力摆棍311、第二张力摆棍312和张力摆臂313。定棍组件包括第一定棍组件和第二定棍组件。第一定棍组件包括第一定棍 321和第二定棍322。第二定棍组件包括第三定棍323和第四定棍324。第一张力摆棍311和第二张力摆棍312对称安装在离合器20输出端旋转轴线的两端。带状薄料依次绕过第一定棍321，第一张力摆棍311，第二定棍322，第三定棍323，第二张力摆棍312和第四定棍324。第一定棍组件靠近第一张力摆棍311，第二定棍组件靠近第二张力摆棍312。第一定棍321，第二定棍322设置于张力摆臂313的一侧，第三定棍323和第四定棍324设置于张力摆臂313的另一侧。第一定棍组件对应第一张力摆棍311的位置设置，第二定棍组件34对应第二张力摆棍312的位置设置。第一定棍321和第二定棍322之间的相对位置，第三定棍323和第四定棍324之间的相对位置，以及第一定棍组件与第二定棍组件分别相对于第一张力摆棍311和第二张力摆棍312位置，使得两个张力摆棍对带状薄料的作用力大小相等，方向相反，且带状薄料穿过第一张力摆棍311的包角大小，与穿过第二张力摆棍312的包角大小相等。这种摆棍机构30，其张力摆棍对称设置在离合器20旋转中心的两端，其在摆动的时候，对绕过其上的极片的力矩大小相等。定棍组件与动棍组件的安装位置，以及张力摆棍的设置，使得带状薄料绕过第一张力摆棍311和第二张力摆棍312的包角大小相等，即绕过第一张力摆棍311和第二张力摆棍312的带状薄料的张力大小相等，且力臂相等，故摆棍机构30对带状薄料的力矩大小相等。

这种摆棍机构30可以在较小的摆动角度内实现带状薄料张力的均匀调整，同时节省了安装空间。

当然摆棍机构的具体结构不限于此，在其他的实施例中，摆棍机构还可以为其他的形式，如动棍组件的张力摆臂非对称设置，且其上安装一个张力摆棍，动棍组件沿靠近和远离定棍组件的方向摆动，但这种摆棍机构摆动幅度较大，需要较大的装配空间。

其中，在本实施例中，张力检测机构40安装在摆棍机构30和卷针之间。张力测定机构包括测力辊41、张力传感器42和安装板43。张力传感器42安装在安装板43上，测力辊41安装在张力传感器42上，带状薄料绕过测力辊41。张力传感器42检测带状薄料对测力辊41的作用力大小，并将带状薄料对测力辊41作用力大小，即带状薄料的张力信息传递给张力控制器50。

其中，在本实施例中，张力控制器50包括信号转换器51和离合器控制器52。信号转换器51与张力检测机构40连接，信号转换器51与所述离合器控制器52连接，离合器控制器52与离合器20连接。张力检测机构40实时检测带状薄料张力信息，并将带状薄料张力信息实时传输给信号转换器51。信号转换器51对张力传感器42采样到的张力信息进行PID运算，将张力信息转换为可 变电信号，可变电信号为可变电压信号。然后，信号转换器51将可变电压信号传输给离合器控制器52，离合器控制器52将可变电压信号转换为离合器控制电压信号，并根据该离合器控制电压信号控制离合器20的工作状态，进而改变离合器20输出端的输出力矩，从而改变摆棍机构30的输出力矩。

其次，在本实施例中，旋转驱动机构为普通电机，当张力控制装置工作时，电机处于恒转速转动状态，在这种状态下，其输出扭矩恒定。

当然，旋转驱动机构的具体实施方式不限于此，在其他的实施例中，旋转驱动机构为伺服电机。伺服电机较普通电机运动精读高，张力控制更准确，响应更快。

再次，张力控制装置还包括角度传感器60。在本实施例中，角度传感器安装在摆棍机构30上，用于检测摆棍机构30的摆动信息，摆棍机构30的摆动信息是指张力摆臂313转动的角度。角度传感器60与自动卷绕设备中的放卷装置连接，放卷电机根据角度传感器采集的摆棍机构30的摆动信息，控制放卷电机的转速。

优选的，角度传感器为电位计，所述电位计安装在张力摆臂313上。

当然，角度传感器的具体实施方式不限于此，在其他的实施例中，角度传感器还可以为光电编码器等。

结合张力控制装置在自动卷绕机中的工作情况，对张力控制装置的工作原理作详细说明：

如图4所示，在卷绕过程中，放卷工位处的放卷装置按照一定的转速放卷，卷针带动带状薄料朝E方向卷绕，进而带动带状薄料朝A方向滑移。由于卷针进料处的线速度不断发生变化，以及其他机械原因，使得带状薄料的张力不断发生变化。张力控制装置100的电机恒转速转动，输出恒定扭矩。张力传感器42实时检测测力辊41上带状薄料对测力辊41作用力大小，即带状薄料的张力信息。张力传感器42将张力信息适时输送给张力控制器50，张力控制器50根据采样到的张力信息与设定值比较，并进行PID运算，将张力信息转变为可变控制电压，并进一步将可变控制电压转换为离合器控制电压信号。张力控制器50利用该离合器控制电压信号控制离合器20的工作状态，使离合器20快速的接合和分离，改变离合器20输出端的力矩大小，进而控制摆辊机构30输出力矩大小，形成张力闭环控制，对带状薄料张力进行微调，使片料张力趋于恒定。这种张力控制方式响应快、准确性好、稳定性好，带状薄料的张力波动小。

具体的，在进料处，当卷针的曲率变小时，带状薄料的线速度变大，卷针牵着带状薄料朝A方向滑移速度增加。此时，张力控制器50控制离合器20的 工作状态，使离合器20快速的接合和分离，使离合器20输出端的力矩变小，张力控制装置的张力摆棍30由图中的C位置，摆动到图中的D位置，缩短了第一张力摆棍311与卷针之间带状薄料的长度，即减小张力摆棍到卷针之间的带状薄料的张力，平衡了带状薄料张力在卷针处的突然变大，使带状薄料的张力趋于恒定。

当卷针的曲率大的时候，带状薄料的线速度变小，卷针牵着带状薄料朝A方向滑移速度变慢。此时，张力控制器控制离合器的工作状态，使离合器20快速的接合和分离，使离合器20输出端的力矩变大，张力控制装置的张力摆棍30由图中的D位置，摆动到图中的C位置，增加了第一张力摆棍311与卷针的带状薄料的长度，即增大张力摆棍到卷针之间的带状薄料的张力，平衡了带状薄料张力在卷针处的突然减小，使带状薄料的张力趋于恒定。

实施例二：

请参考图1至图4，本实施例中的自动卷绕机包括：机架(图中未示出)、卷针70、放卷装置200、过棍90和张力控制装置100。该张力控制装置可采用上述实施例一所示结构。

卷针70、放卷装置200、过棍90和张力控制装置100均安装在机架上。极片或隔离膜带状薄料以卷料的形式安装在放卷装置上，然后绕过过棍90和张力控制装置100，在卷针70处收卷。

放卷装置200包括放卷控制器和放卷电机。放卷控制器与放卷电机连接，放卷控制器与张力控制装置的角度传感器60连接，接收角度传感器60采集的摆动信息，并根据该摆动信息控制放卷电机的放卷速度。

在其他实施例中，也可不用采用角度传感器60。放卷控制器直接控制放卷电机的放卷速度。

本实施例中，自动卷绕机的工作过程，在增加了实施例一中的张力控制装置之外还包括如下工作过程：

摆棍机构30的张力摆臂313在进行张力调整的时候不断转动。角度传感器60检测张力摆臂313的转动角度，并将张力摆臂313的转动角度转变为连续变化的模似电压信号，输送到放卷控制器的模似电压接收端口，放卷控制器根据模似电压的变化量，采用PID控制方式控制放卷电机的放卷速度，对带状薄料张力进行调整，形成放卷闭环张力控制。

本实施例中，张力控制装置的张力闭环控制和放卷装置的放卷闭环张力控制同步进行。在进行张力闭环控制的时候，摆棍机构30的张力摆棍摆动，安装在摆棍机构30上的角度传感器60检测摆棍的摆动信息，并反馈给放卷控制器， 放卷控制器调整放卷电机的放卷速度，对带状薄料张力进行调整。在进行张力控制装置的张力闭环控制的同时结合放卷装置的放卷闭环张力控制，较实施例一中的张力控制装置的张力闭环控制，带状薄料的张力控制更为准确、响应速度更快，带状薄料张力波动更小。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种张力控制装置,其特征在于，包括：旋转驱动机构(10)、离合器(20)、摆棍机构(30)、张力检测机构(40)和张力控制器(50)，所述离合器(20)输入端与旋转驱动机构(10)输出端联接，所述离合器输出端与摆棍机构(30)联接；所述张力检测机构(40)与张力控制器(50)连接；所述张力控制器(50)与离合器(20)连接。

2.如权利要求1所述的张力控制装置,其特征在于，还包括角度传感器(60)，所述角度传感器(60)安装在摆棍机构(30)上，用于检测摆棍机构(30)的摆动信息。

3.如权利要求2所述的张力控制装置,其特征在于，所述角度传感器(60)为电位计，所述电位计安装在摆棍机构(30)上。

4.如权利要求1所述的张力控制装置，其特征在于，还包括第一联轴器(81)和第二联轴器(82)，所述摆棍机构(30)通过第一联轴器(81)与离合器(20)的输出端联接，所述旋转驱动机构(10)输出端通过第二联轴器(82)与离合器(20)的输入端联接。

5.如权利要求1所述的张力控制装置，其特征在于，所述摆棍机构(30)包括动棍组件(31)和定棍组件(32)，所述动棍组件(31)与离合器(20)的输出端连接，所述定棍组件固定设置，所述动棍组件(31)沿靠近和远离定棍组件(32)的方向摆动。

6.如权利要求5所述的张力控制装置，其特征在于，所述动棍组件(31)包括至少一个张力摆棍和一个张力摆臂，所述张力摆臂与离合器(20)输出端联接，所述张力摆棍安装在张力摆臂上。

7.如权利要求6所述的张力控制装置，其特征在于，所述动棍组件(31)包括第一张力摆棍(311)、第二张力摆棍(312)和张力摆臂(313)，所述定棍组件(32)包括第一定棍组件和第二定棍组件，所述第一定棍组件包括第一定棍(321)和第二定棍(322)，所述第二定棍组件包括第三定棍(323)和第四定棍(324)，所述第一张力摆棍(311)和第二张力摆棍(312)对称安装在离合器(20)输出端旋转轴线的两端，所述第一定棍(321)，第二定棍(322)设置于张力摆臂(313)的一侧，所述第三定棍(323)和第四定棍(324)设置于张力摆臂(313)的另一侧，所述第一定棍组件对应第一张力摆棍(311)的位置设置，所述第二定棍组件(34)对应第二张力摆棍(312)的位置设置。

8.如权利要求7所述的张力控制装置，其特征在于，所述张力控制器(50)包括信号转换器(51)和离合器控制器(52)，所述信号转换器(51)与张力检测机构(40)连接，所述信号转换器(51)与所述离合器控制器(52)连接，所述离合器控制器(52)与离合器(20)连接。

9.一种自动卷绕机，包括机架和放卷装置(200)，所述放卷装置(200)用于将极片或隔离膜卷料放卷，所述放卷装置(200)安装在机架上，其特征在于，还包括如权利要求1，4至8任一项所述的张力控制装置(100)，所述张力控制装置(100)安装在机架上。

10.如权利要求9所述的自动卷绕机，其特征在于，所述张力控制装置还包括角度传感器，所述角度传感器(60)安装在张力控制装置(100)的摆棍机构(30)上，用于检测摆棍机构(30)的摆动信息，所述角度传感器(60)与放卷装置(200)连接。