DE202011110437U1 - Control system for laser cutting of battery plates - Google Patents
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Abstract
Steuersystem zum Laserschneiden von Batterieplatten mit einer Steuereinheit und einer Ausführungseinheit, wobei die Steuereinheit ein Musterdaten-Empfangsmodul zum Empfang von Musterdaten einer zu schneidenden Batterieplatte und ein Bewegungsbahn-Erzeugungsmodul zum Errechnen von Bewegungsbahndaten eines Laserstrahls anhand der Musterdaten der Batterieplatte umfasst und die Ausführungseinheit zum Empfang der Bewegungsbahndaten und zum Steuern der Position eines reflektierten Laserstrahls vorgesehen ist.Control system for laser cutting of battery plates with a control unit and an execution unit, wherein the control unit comprises a pattern data receiving module for receiving pattern data of a battery plate to be cut and a trajectory generation module for calculating trajectory data of a laser beam based on the pattern data of the battery plate and the execution unit for receiving the Trajectory data and is provided for controlling the position of a reflected laser beam.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuertechnik für das Laserschneiden von Batterieplatten bei deren Produktion, insbesondere auf ein Steuersystem zum Laserschneiden von Batterieplatten.The present invention relates to the control technology for the laser cutting of battery plates in their production, in particular to a control system for laser cutting of battery plates.
Technischer HintergrundTechnical background
Als eines der wichtigsten Bauteile bei z.B. Hybridfahrzeugen stellen Lithium-Ionen-Batterien eine neu entwickelte, sehr gefragte Technik dar, sind aber herstellungstechnisch noch nicht ausgereift. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Formgebung der Batteriezelle einer Antriebsbatterie den Anoden- und Kathodenwerkstoff der Batteriezelle zu schneiden. Durch herkömmliche, mechanische Schneidsysteme können an den geschnittenen Batterieplatten Schnittgrate entstehen, was sowohl die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie als auch die Eigenschaften der Batterieplatten beeinträchtigt. Durch Laserschneiden des Anoden- und Kathodenwerkstoffes der Batteriezelle lassen sich die Nachteile der mechanischen Schneidsysteme überwinden; dabei wird ein Laserstrahl am Werkstoff entlanggeführt und dieser durch die intensive Laserenergie durchschnitten, so dass verschiedene, vorgegebene Plattenformen mit mehreren hervorragenden Laschen entstehen.As one of the most important components in e.g. Lithium-ion batteries are a newly developed, very popular technology for hybrid vehicles, but they are not yet fully developed in terms of manufacturing technology. From the prior art it is known to cut the anode and cathode material of the battery cell for shaping the battery cell of a drive battery. Conventional mechanical cutting systems can create burrs on the cut battery plates, compromising both the safety of the lithium-ion battery and the characteristics of the battery plates. By laser cutting the anode and cathode material of the battery cell, the disadvantages of the mechanical cutting systems can be overcome; In this case, a laser beam is guided along the material and this cut through the intense laser energy, so that different, predetermined plate shapes arise with several excellent tabs.
Bei den bisher bekannten Steuersystemen für das Laserschneiden von Batterieplatten erfolgt die Eingabe von Mustern allgemein mittels der Laserbeschriftungssoftware und die schnelllaufende Führung des Laserstrahls an den auf dem Fließband vorbeigeführten Produkten wird mit einem Galvanometerspiegel als Ausführungseinheit gesteuert, um Spuren auf den Produkten zurückbleiben zu lassen. Für einen schubweisen Batterieplatten-Schneidprozess eignen sich solche Steuersysteme insoweit nicht, als folgende Probleme ungelöst bleiben:
- a. Ein kontinuierlicher Schneidvorgang auf dem Fließband bleibt aus, weil mit den derzeit bekannten Steuersystemen durch Beschriftung nur ein aufeinanderfolgendes Schneiden bzw. Beschriften von einzelnen Produkten möglich ist;
- b. Im Falle einer Eingabe von Mustern dauert es nach dem Verarbeiten eines aktuellen Musters eine bestimmte Zeit, um das nächste Muster zu laden und zu verarbeiten. Diese Zeitdauer stellt bei hoher Fließbandgeschwindigkeit eine sogenannte Zeitscheibe dar, die nicht zu vernachlässigen ist und die weder beeinflusst noch beseitigt werden kann. Dies kann zu großen Positionsfehlern während des Schneidvorgangs führen;
- c. Selbst eine geringfügige Formänderung der zu schneidenden Batterieplatten macht eine aufwendige Neugestaltung und die Eingabe von neuen Mustern notwendig. Mit anderen Worten lässt sich das Steuerprogramm während dessen Betriebs nicht durch eine Parameteränderung den jeweils veränderten Mustern anpassen.
- a. A continuous cutting process on the assembly line remains, because with the currently known control systems by labeling only a sequential cutting or labeling of individual products is possible;
- b. In the case of inputting patterns, after processing a current pattern, it takes a certain time to load and process the next pattern. This period of time represents a so-called time slice at high line speed, which is not negligible and which can neither be influenced nor eliminated. This can lead to large position errors during the cutting process;
- c. Even a slight change in shape of the battery plates to be cut makes a complex redesign and the entry of new patterns necessary. In other words, during its operation, the control program can not be adapted to the respectively changed patterns by changing the parameters.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuersystem zum Laserschneiden von Batterieplatten anzubieten, welches sich einer Änderung der Plattenmuster gut anpassen lässt und die Genauigkeit der durch Schneiden entstehenden Muster gewährleisten kann.The present invention has for its object to provide a control system for laser cutting of battery plates, which can be well adapted to a change in the plate pattern and can ensure the accuracy of the resulting patterns by cutting.
Das erfindungsgemäße Steuersystem zum Laserschneiden von Batterieplatten umfasst folgende Schritte:
- 1) Eine Steuereinheit empfängt die Musterdaten einer zu schneidenden Batterieplatte und erzeugt entsprechende Bewegungsbahndaten;
- 2) die Steuereinheit sendet ein Steuerkommando und die Bewegungsbahndaten an eine Ausführungseinheit;
- 3) die Ausführungseinheit führt das Steuerkommando aus und steuert einen Laserstrahl so, dass er sich auf einer durch die Bewegungsbahndaten vorgegebenen Bewegungsbahn bewegt.
- 1) A control unit receives the pattern data of a battery plate to be cut and generates corresponding trajectory data;
- 2) the control unit sends a control command and the trajectory data to an execution unit;
- 3) the execution unit executes the control command and controls a laser beam so as to move on a trajectory predetermined by the trajectory data.
Dabei umfasst Schritt 3) wiederum folgende Schritte:
- 31) Ein Kommandoverarbeitungsmodul der Ausführungseinheit empfängt von der Steuereinheit das Steuerkommando und reiht die darin enthaltenen Warteschlangenbefehle nacheinander in einen Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher ein;
- 32) ein Warteschlangenkommando-Parsermodul der Ausführungseinheit parst die Daten im Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher, erzeugt dadurch Koordinatenpunkte der Bewegungsbahn und gibt diese Koordinatenpunkte nacheinander in einen Ausgabenwarteschlangen-Zwischenspeicher ein;
- 33) ein Datensendemodul der Ausführungseinheit sendet die Koordinatenpunkte nacheinander an einen Galvanometerspiegel, so dass der Laserstrahl durch den Galvanometerspiegel sukzessiv auf den Koordinatenpunkten zugeordnete Positionen reflektiert wird.
- 31) A execution processing module of the execution unit receives the control command from the control unit and sequentially enqueues the queue instructions contained therein into a command queue buffer;
- 32) a queue command parser module of the execution unit parses the data in the command queue buffer, thereby creating coordinate points of the trajectory and successively entering those coordinate points in an output queue buffer;
- 33) a data transmission module of the execution unit sends the coordinate points successively to a galvanometer mirror, so that the laser beam is successively reflected by the galvanometer mirror positions assigned to the coordinate points.
Die bei Schritt 1) empfangenen Musterdaten umfassen die Höhe und Breite der Batterieplatte und der Laschen, die einzelnen Kantenlängen der Batterieplatte sowie den Abstand benachbarter Laschen.The pattern data received at step 1) includes the height and width of the battery plate and the tabs, the individual edge lengths of the battery plate, and the spacing of adjacent tabs.
Das erfindungsgemäße Steuersystem zum Laserschneiden von Batterieplatten umfasst eine Steuereinheit und eine Ausführungseinheit, wobei die Steuereinheit ein Musterdaten-Empfangsmodul zum Empfang von Musterdaten einer zu schneidenden Batterieplatte und ein Bewegungsbahn-Erzeugungsmodul zum Errechnen von Bewegungsbahndaten eines Laserstrahls anhand der Musterdaten der Batterieplatte umfasst und die Ausführungseinheit zum Empfang der Bewegungsbahndaten und zum Steuern der Position eines reflektierten Laserstrahls vorgesehen ist.The control system for laser cutting of battery plates according to the invention comprises a control unit and an execution unit, wherein the control unit is a pattern data receiving module for receiving pattern data of a to be cut A battery plate and a movement path generation module for calculating movement path data of a laser beam based on the pattern data of the battery plate and the execution unit is provided for receiving the movement path data and for controlling the position of a reflected laser beam.
Die Ausführungseinheit umfasst ein Kommandoverarbeitungsmodul, ein Warteschlangenkommando-Parsermodul, ein Datensendemodul und einen Galvanometerspiegel. Hierbei empfängt das Kommandoverarbeitungsmodul von der Steuereinheit ein Steuerkommando und reiht die darin enthaltenen Warteschlangenbefehle in einen Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher ein. Das Warteschlangenkommando-Parsermodul parst die Daten im Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher, erzeugt dadurch Koordinatenpunkte der Bewegungsbahn und gibt diese Koordinatenpunkte in einen Ausgabenwarteschlangen-Zwischenspeicher ein. Das Datensendemodul sendet die Koordinatenpunkte nacheinander an den Galvanometerspiegel.The execution unit includes a command processing module, a queue command parser module, a data transmission module, and a galvanometer mirror. Here, the command processing module receives from the control unit a control command and puts the contained therein queue commands in a command queue buffer. The queue command parser module parses the data in the command queue buffer, thereby creating coordinate points of the trajectory and entering those coordinate points in an output queue buffer. The data transmission module sends the coordinate points one after the other to the galvanometer mirror.
Überdies umfasst die Ausführungseinheit ein Prozessverwaltungsmodul.Moreover, the execution unit includes a process management module.
Gegenüber dem Stand der Technik bietet die vorliegende Erfindung folgende Vorteile: Durch die Beschreibung des Bewegungsablaufs eines Laserstrahls durch eine sogenannte Bewegungsbahn, d.h. durch einen im Voraus geplanten Bewegungsverlauf des Laserstrahls, ist ein kontinuierlicher Schneidprozess mittels Laser möglich, so dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit bei der Formgebung der Batteriezelle und eine Schnittgenauigkeit von z.B. unterhalb 0,1 mm bei einer Fließbandgeschwindigkeit von 400 mm/s gewährleistet werden. Durch die Bahnbeschreibung lassen sich zudem Parameter wie beispielsweise Abmessungsdaten der Muster auf einfache Weise eingeben bzw. ändern, um bei häufigen Änderungen der Plattenmuster flexibel Anpassungen vorzunehmen.Compared with the prior art, the present invention offers the following advantages: By describing the sequence of movement of a laser beam through a so-called trajectory, i. by a pre-planned course of movement of the laser beam, a continuous cutting process by means of laser is possible, so that an increase in the speed in the shaping of the battery cell and a cutting accuracy of e.g. below 0.1 mm at an assembly line speed of 400 mm / s. The path description also allows parameters such as dimensional data of the patterns to be entered or changed in a simple manner in order to make flexible adjustments to frequent changes in the plate patterns.
Beschreibung der AbbildungDescription of the picture
Die einzige
Hierbei dient das Musterdaten-Empfangsmodul dem Empfang von Musterdaten einer zu schneidenden Batterieplatte und das Bewegungsbahn-Erzeugungsmodul dem Errechnen von Bewegungsbahndaten eines Laserstrahls anhand der Musterdaten der Batterieplatte. Insbesondere werden zunächst mit Hilfe des Musterdaten-Empfangsmoduls die vorher vom Benutzer eingegebenen Parameterdaten wie etwa die Höhe und Breite der zu schneidenden Batterieplatte und der daran ausgebildeten Laschen, der Abstand zwischen diesen Laschen sowie Steuerinformationen wie z.B. die Schnittgeschwindigkeit empfangen, um dann mit dem Bewegungsbahn-Erzeugungsmodul eine den eingegebenen, die Batterieplatte und die Laschen betreffenden Musterdaten entsprechende Bewegungsbahn zu erzeugen.Here, the pattern data receiving module is for receiving pattern data of a battery plate to be cut, and the trajectory generating module is for calculating trajectory data of a laser beam based on the pattern data of the battery plate. In particular, the parameter data previously input by the user, such as the height and width of the battery plate to be cut and the tabs formed thereon, the distance between these tabs, and control information, such as e.g. receive the cutting speed to then generate with the trajectory generating module a trajectory corresponding to the inputted pattern data relating to the battery plate and the tabs.
Mit dem Kommandoverarbeitungsmodul können Steuerkommandos von der Steuereinheit empfangen und eine große Anzahl von Schnittstellenfunktionen für die Schnittstelle zwischen Ausführungseinheit und Anwendungsprogrammen oberer Ebene bereitgestellt werden. Die Steuerkommandos lassen sich in Warteschlangenbefehle und allgemeine Befehle unterteilen, wobei die Warteschlangenbefehle u.a. Warteschlangenöffnungsbefehl, Warteschlangenschließbefehl, Warteschlangenausführungsbefehl, Geradlinienhinzufügebefehl, Kreisbogenhinzufügebefehl, Geschwindigkeitseinstellungsbefehl, Lasereinschaltverzögerungsbefehl, Laserausschaltverzögerungsbefehl, Verzögerungswartebefehl zwischen Linienstücken, Befehl zum Einstellen eines tatsächlichen Bewegungskoeffizients beim Marking on-the-Fly und Auslösungsbefehl unter vorbestimmten Bedingungen umfassen. Als allgemeine Befehle werden insbesondere Lasertyp-Auswahlbefehl, Laserleistung-Einstellbefehl, Laserpositions-Steuerbefehl, Warteschlangenhaltbefehl, Lasereinschalt-Steuerbefehl, Laserausschalt-Steuerbefehl usw. bezeichnet. Die beiden Befehlstypen sind unterschiedlich zu verarbeiten: Im Falle eines Warteschlangenbefehls werden dieser Befehl und zusätzliche Musterdaten nacheinander in einen Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher eingereiht, während bei Vorhandensein eines allgemeinen Befehls verschiedene, dem Befehl entsprechende Steuervorgänge durchgeführt werden.With the command processing module, control commands can be received by the control unit and a large number of interface functions can be provided for the interface between the execution unit and the top-level application programs. The control commands can be subdivided into queuing commands and general commands, the queuing commands and the like. Queue open command, queue close command, queue execution command, straight line add command, circular arc add command, speed setting command, laser start delay command, laser off delay command, delay wait command between line pieces, command to set an actual motion coefficient in marking on-the-fly, and trigger command under predetermined conditions. As the general commands, the laser type selection command, the laser power setting command, the laser position control command, the queuing command, the laser-on command, the laser-cut control command, and so forth are specifically referred to. The two types of instructions are differently processed: in the case of a queue instruction, this instruction and additional pattern data are successively put into a command queue buffer, while in the presence of a general command, various control operations corresponding to the instruction are performed.
Mit Hilfe des Warteschlangenkommando-Parsermoduls können die Daten im Kommandowarteschlangen-Zwischenspeicher geparst, dadurch Koordinatenpunkte einer Bewegungsbahn erzeugt und diese Koordinatenpunkte in einen Ausgabenwarteschlangen-Zwischenspeicher eingegeben werden. Nach dem Einreihen eines Warteschlangenkommandos in den Warteschlangenzwischenspeicher werden die darin befindlichen Daten durch das Kommando-Empfangsmodul geparst. Im Falle eines Warteschlangen-Steuerbefehls wie beispielsweise Einschalt-, Ausschalt- oder Ausführungsbefehls wird dieser an ein Prozessführungsmodul gesendet, um entsprechende Aktionen durchzuführen. Im Falle eines Geschwindigkeitseinstellungsbefehls wird die aktuelle Warteschlangengeschwindigkeit auf einen neuen Geschwindigkeitswert aktualisiert. Bei Vorhandensein eines Positionshinzufügebefehls wie etwa Geradlinien- oder Kreisbogenhinzufügebefehls wird die Interpolationsfunktion aufgerufen und entsprechend dem zwischen erstem Koordinatenpunkt und neu hinzugefügtem Koordinatenpunkt entstehenden Linienstück und dessen Typ eine Interpolation mit der vorgegebenen Warteschlangengeschwindigkeit durchgeführt, so dass zwischen den beiden vorgegebenen Koordinatenpunkten mehrere Koordinatenpunkte, die sich auf einem Linienstück befinden, erzeugt und diese durch Interpolation errechneten Koordinatenpunkte im Ausgabenwarteschlangen-Zwischenspeicher abgelegt werden.With the help of the queue command parser module, the data can be parsed in the command queue buffer, thereby creating coordinate points of a trajectory and entering these coordinate points in an output queue buffer. After queuing a queue command into the queue buffer, the data therein is parsed by the command receive module. In the case of a queuing control command such as power-on, power-off or execution command, it is sent to a process control module to perform appropriate actions. In the case of a speed setting command, the current queue speed is updated to a new speed value. In the presence of a position add command such as straight line or arc add command, the interpolation function is called and interpolated at the given queue speed in accordance with the line piece and its type resulting between the first coordinate point and newly added coordinate point, so that between the two given coordinate points, several coordinate points that are on a line piece are created and stored by interpolation calculated coordinate points in the output queue buffer.
Das Datensendemodul ist zum sukzessiven Senden der Koordinatenpunkte an den Galvanometerspiegel vorgesehen. Nach dem Erzeugen der Daten-Koordinatenpunkte und deren Ablegen im Ausgabenwarteschlangen-Zwischenspeicher durch das Warteschlangenkommando-Parsermodul werden die Koordinaten- bzw. Positionsinformationen durch das Sendemodul mit einer voreingestellten Frequenz von z.B. 100 kHz nacheinander an den Galvanometerspiegel gesendet, damit dieser den Fokus eines Laserstrahls auf eine der geforderten Koordinatenposition zugeordnete Position reflektieren kann.The data transmission module is provided for successively sending the coordinate points to the galvanometer mirror. After generating the data coordinate points and storing them in the output queue buffer by the queue command parser module, the coordinate or position information is transmitted by the transmission module at a preset frequency of e.g. 100 kHz successively sent to the galvanometer mirror so that it can reflect the focus of a laser beam to a required coordinate position associated position.
Darüber hinaus ist ein Prozessverwaltungsmodul vorgesehen, das für die Kommunikation und Zusammenwirkung zwischen den oben beschriebenen drei Modulen sorgt. So kann z.B. das Kommando-Empfangsmodul, wenn es ein Kommando zur Ausführung der Warteschlangen-Datenausgabe empfängt, über das Prozessverwaltungsmodul das Datensendemodul anweisen, Positionspunktinformationen an den Galvanometerspiegel zu übertragen. Nach Empfang dieses Kommandos sendet das Datensendemodul die Koordinatenpunkte in der Ausgabenwarteschlange an den Galvanometerspiegel. Ferner lassen sich mit dem Prozessverwaltungsmodul auch noch einige Zustände des gesamten Programms verwalten, wie beispielsweise die Einstellung, ob alle Daten in der Warteschlange an den Galvanometerspiegel gesendet werden sollen, die aktuelle Laufgeschwindigkeit und die Positionierung des Laserstrahls.In addition, a process management module is provided which provides for the communication and interaction between the three modules described above. Thus, e.g. the command receive module, when receiving a command to execute the queue data output, instructs the data transmission module via the process management module to transmit position point information to the galvanometer mirror. Upon receipt of this command, the data transmission module sends the coordinate points in the output queue to the galvanometer mirror. In addition, the process management module also manages some states of the entire program, such as setting whether to send all data in the queue to the galvanometer mirror, the current running speed, and the positioning of the laser beam.
Beim Betrieb empfängt die Steuereinheit zunächst die vorher vom Benutzer eingegebenen Parameterdaten wie etwa die Höhe und Breite der zu schneidenden Batterieplatte und der daran ausgebildeten Laschen, den Abstand zwischen diesen Laschen sowie Steuerinformationen wie z.B. die Schnittgeschwindigkeit, um dann eine den eingegebenen, die Batterieplatte und die Laschen betreffenden Musterdaten entsprechende Bewegungsbahn zu erzeugen. Zudem gibt die Steuereinheit Steuerkommandos einschließlich Warteschlangenbefehle und allgemeiner Befehle an die Ausführungseinheit unterster Ebene aus.In operation, the control unit first receives the parameter data previously input by the user, such as the height and width of the battery plate to be cut and the tabs formed thereon, the distance between these tabs, and control information, such as, e.g. the cutting speed to then generate a trajectory corresponding to the inputted pattern data concerning the battery plate and the tabs. In addition, the control unit issues control commands including queue commands and general commands to the lowest-level execution unit.
Die Ausführungseinheit führt die Steuerkommandos aus, wobei die Bahnbeschreibungs-Warteschlange entsprechend verarbeitet wird. So findet z.B. an einer bestimmten Position ein Schneidprozess der Laschen statt. Dazu wird ein Laserstrahl auf der erzeugten Bewegungsbahn an der Batterieplatte entlanggeführt, um diese mit der intensiven Laserenergie zu durchtrennen. Nach dem Ausführen des Aktions-Warteschlangenbefehls wird der Laserstrahl an den Ausgangspunkt zurückgeführt, damit der nächste Aktions-Warteschlangenbefehl ausgeführt werden kann. Während des Programmablaufs lassen sich gleichzeitig auch weitere, durch den Anwender gegebene Steuerkommandos wie beispielsweise Stopp, Neustart und Parametereinstellung ausführen.The execution unit executes the control commands, processing the lane description queue accordingly. For example, see at a certain position a cutting process of the tabs instead. For this purpose, a laser beam is guided along the path of movement generated on the battery plate in order to sever it with the intensive laser energy. After executing the action queue command, the laser beam is returned to the starting point for the next action queue command to be executed. During the execution of the program, further control commands given by the user can be executed at the same time, such as stop, restart and parameter setting.
Das oben Beschriebene stellt keine Einschränkung der Erfindung dar, sondern dient lediglich der beispielhaften Darstellung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. Jede einfache Ableitung oder Substitution, die vom Durchschnittsfachmann im Rahmen der Erfindung vorgenommen wird, ist vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst.The above is not a limitation of the invention, but is merely illustrative of preferred embodiments of the invention. Any simple derivation or substitution made by one of ordinary skill in the art is within the scope of the present invention.
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