3 、设备组成及关键结构
软包电池装配线主要由极耳焊接机、包装机、包装机后段等组成。
3.1 、极耳焊接机
1）极耳焊接机是对接叠片机物流过来的裸电芯的铜箔、铝箔极耳进行收拢的超声波预焊，在对其进行导电柄的超声波终焊、焊印压平、除尘、贴胶等工序，为下一步入铝塑膜坑做封装准备。极耳焊接机的关键结构主要包含电芯极耳预焊、极耳裁切、电芯Tab片终焊、焊印整平及除尘、焊印贴胶等。
2)极耳焊接机是将叠片机过来的裸电芯进行极耳的预焊以及终焊，其关键结构有极耳裁切、极耳预焊、极耳Tab焊接、焊印除尘等。
极耳预焊主要是将电芯铜箔和铝箔极耳进行聚拢焊接，为终焊做准备工作。其机构组成部分为预焊机、焊机底座、聚拢机构、吸尘机构，极耳预焊结构如图7所示。

图7 极耳预焊结构图

(1）极耳预焊:该结构的功能与动作用于实现极耳的超声波预焊接，焊机下焊头采用固定方式（焊头、焊座、底座的设计需要与客户沟通），电芯极耳到位后，气缸下压托盘夹具达到预焊工作高度，焊接同时进行吸尘处理；并在焊接时对极耳聚拢。在焊接的电芯有防护装置，防止焊渣掉入电芯。下焊头有吸尘罩，尘罩内有粉尘吸附装置，包括吹风装置和吸附粉尘装置，保证焊接粉尘能吸附干净；吸尘风速要求≥15m/s;对于极耳预焊焊接位置精度，要求上下方向上偏差≤±0.2mm，左右方向偏差≤±0.2mm。
*备注：焊接封装线需要根据焊机进行数据对接，能够采集焊接关键性参数（焊接参数包括能量、功率、时间、压力等），并能接收相关焊接异常信息，进行异常报警及电芯NG排出。
(2）极耳裁切

图8 极耳裁切结构图

*极耳裁切机构主要是将预焊后铜箔和铝箔极耳进切整齐。其主要由上下切刀、上下切刀导向机构、除尘机构、废料导槽、上气缸、下气缸等组成，极耳裁切结构如图8所示。
*该结构用于实现正极耳预焊后的自动裁切。刀具采用SKD11镀类金刚砂膜防止粘刀，在设计时会采用一备一用的方式，根据客户要求也会对SKD11进行镶钨钢的处理。裁切位置调整处有数显千分尺，方便人工调节，裁切刀裁切到预焊焊印上。裁切后极耳长度可调范围：0～10mm；裁切精度：±0.1mm；裁切寿命要求：切刀单次使用次数≥30万次（20万次寿命提醒修磨），可反复修磨10次以上。切刀处有防尘罩，裁切时将裁切机构与外部环境隔离，防尘罩内有粉尘吸附装置，保证裁切废料与粉尘能吸附干净；吸尘风速要求≥15m/s；裁切机构内有接料盒，对裁切下的箔材进行收集。裁切压板有凸台设计，弹簧力可调，裁切前对保护片两侧进行压制，防止裁切后保护片翘曲对后段工序有影响。
(3）极耳Tab终焊:极耳Tab终焊分为正／负极Tab上料机构和正／负极极耳主焊两部分。
①正／负极Tab上料机构。正／负极Tab上料机构的组成：由Tab弹匣式送料机构、伺服提升装置、Tab吸取机构、二次定位机构、弹匣机构检测传感器等组成，用于实现正负极Tab的自动上料;正／负极Tab上料机构的主要功能是将Tab片导电柄与预焊裁切整齐的正负极耳焊接到一起的关键工序，在实际生产中，Tab片需要不断地进行上料，为了保证可以不停机换料，因而需要在机构设计上设计一个Tab片缓存机构。Tab片取料机械手需要具备旋转功能，可对Tab片的正反进行防呆处理。Tab片的极性检测，是为了检测正负极的极性，防止人工将正负极片放错。Tab片的定位机构，由于进行焊接时，电芯极耳与Tab片有相对的位置精度要求，根据客户要求对Tab进行定位，定位基准为Tab片两侧和PP胶或者Tab片四周。Tab片的送料机构，将定位好的Tab片夹持住送到终焊预定位置进行焊接，由于也有位置精度要求，驱动为伺服电机和滚珠丝杆的结构组合，从而保证精度要求。正／负极Tab上料机构如图9所示。

图9 正／负极Tab上料机构

*正／负极Tab上料机构功能与动作如下：
a．弹匣机构上共有5个弹匣，正负极弹夹有颜色与标识区分，一个弹匣一次可装200片Tab，一次上料可连续工作2h以上。
b．Tab来料的尺寸精度：来料时人工将Tab放入弹夹内；电池采用毛刷、吹气以及电气抖动程序防止多片，合格率100%；采用检测导电柄位置来识别正反；正负极料夹用颜色区别。6个弹匣的转位由伺服完成，弹匣上料位有检测物料有无的感应器。采用伺服旋转，避免定位偏移太多引起极耳翘曲。
c．Tab定位，采用机械定位，定位导电夹短边与极耳胶。
d．夹取上料，采用手指气缸，最大面积夹持导电柄，避免导电柄滑动，伺服移载的方式实现精确送料，Tab定位精度为±0.2mm。
②正／负极极耳主焊。正／负极极耳主焊主要组成部分为超声波焊机、定位机构、检测系统、吸尘系统等。正／负极极耳主焊如图10所示。

图10 正／负极极耳主焊

*正／负极极耳主焊用于实现正负极Tab的超声波焊接，该机构下焊头采用固定方式，Tab在电芯极耳上方焊接，焊机整体可水平调整，适应工艺要求;正／负极极耳主焊技术特点如下：
a．焊头／底模单次使用寿命≥5万次，单面可反复修磨5次以上，极耳焊接层数兼容≤50层；焊头／底模以及底座的设计需与甲方沟通。
b．焊接后有检测极耳是否焊接导电柄装置，系统报警与电池NG装置。
c．焊接关键性参数（焊接参数包括能量、功率、时间、压力等）都可以设定上下限数值，具有在线检测、异常报警、电芯NG排除、预留导电柄上下焊接功能。
d．吸尘处理：在焊接的电芯侧有防护装置，防止焊渣掉入电芯。制作吸尘罩随焊头动作，在超声波焊接打开吸尘，吸尘风速20m/s，可以有效吸走金属粉屑。
e．精度：极耳定位精度±0.2mm；焊接位置精度为上下偏差±0.2mm，左右偏差±0.2mm。
f．焊接参数具有本地存储，具备与MES对接的接口功能。增加手动除尘口，焊接工位有焊接极耳有无检查、焊接后极耳检测功能。
(4）极耳焊印除尘:极耳焊印的除尘对电芯的良品率以及电芯安全性能至关重要，主要原因在于超声波焊接过程属于机械摩擦焊，会产生很多金属粉尘，以及在焊印上很多尖锐毛刺在掉落的时候也会成为金属粉尘的一个来源。这些金属粉尘在进入电芯本体后会刺破正负极片中间的隔膜，导致电池短路引起起火等危险事故;极耳除尘分为焊印压平机构和焊印二次除尘机构两个部分。
①焊印压平机构。焊印压平为在Tab片终焊接之后对焊印处进行冲压压平，其主要目的在于将超声波焊接后的极耳表面的焊印毛刺压平或者压掉，为焊印的二次除尘做好准备工作，在此机构上也有除尘吸口，对直接压掉下来易于吸走的焊渣进行除尘。
焊印压平机构由上气缸移动机构、下顶升机构、压块、吸尘罩等组成。主要用于实现极耳焊接后的整形，整形压力≥500N，压板材质PEEK。整形后无翘曲，整形位置可调，焊印压平机构如图11所示。

图11 焊印压平机构

②焊印二次除尘机构。焊印二次除尘的目的是对焊印处进行独立的除尘，将压平机构未清理掉的金属粉尘进行较为彻底的清除。
二次除尘机构主要由气缸移动机构、密封腔体、毛刷机构等组成。功能与动作：用清洁装置对焊接部位进行清洁，清洁后无大于50μm异物，并且有粉尘吸附装置，保证粉尘能清洁干净，吸尘风速≥20m/s，清洁过程不能二次污染电芯，且不损伤极耳。焊印二次除尘机构如图12所示。

图12 焊印二次除尘机构

*焊印压平机构和二次除尘机构对焊印的处理，保证了后续工序的贴胶和封装时的平稳性以及热风融合性等。
(5）极耳焊印贴胶及检测:极耳焊印贴胶是通过胶带将焊印进行贴住，保证后面进行封装时，避免焊印的凹凸不平直接接触铝塑膜，有刺破铝塑膜表面PP胶与铝层直接接触的风险;极耳焊印贴胶及检测分为极耳焊印贴胶机构和极耳焊印贴胶检测机构两部分。
①极耳焊印贴胶机构。极耳焊印贴胶机构由胶纸送料机构、张紧机构、导向机构、自动裁切机构、吸取贴胶机构等组成。贴胶方式为上下分开贴，本贴胶机构分为上贴胶机构和下贴胶机构，上下贴胶的工作方式相同。胶带长度兼容≤100mm，宽度≤25mm。保证蓝胶完全遮住焊印、极耳底部边缘，贴胶整齐，不压住导电柄的PP胶。贴胶机构中蓝胶拉胶过程中由弹簧张力控制，保证贴胶完成后蓝胶不回弹、不折皱，贴合完整，吸胶头材质为硬质氧化处理过的A6061，不损伤极耳。可实现贴胶位置精度在±0.2mm，上下对齐度±0.2mm内，裁切精度±0.2mm。极耳焊印贴胶机构图如图13所示。

图13 极耳焊印贴胶机构

②极耳焊印贴胶检测机构。极耳焊印贴胶检测机构主要目的是检测电芯极耳焊印处的胶带有无以及对胶带进行压平。
贴胶检测机构主要由气缸、压块、探针等组成。焊印贴胶检测机构如图14所示。

图14 焊印贴胶检测机构

*经过极耳焊印贴胶机构和贴胶检测机构对焊印的处理，有效规避了焊印对铝塑膜封装的影响。
(2)铝塑膜冲坑机:铝塑膜冲坑机是铝塑膜卷料进行主动放卷，并有序地在铝塑膜上进行冲出满足电池尺寸的铝塑膜坑。铝塑膜冲坑机的关键结构主要包含放卷纠偏机构、切缝机构、冲坑机构、裁切机构等。
①放卷纠偏机构。放卷纠偏机构是铝塑膜冲坑机的最前段机构，承担设备铝塑膜的上料、换料、放卷铝塑膜以及在正常工作过程中对铝塑膜进行实时的纠偏处理;放卷纠偏机构由气胀轴、卷料铝塑膜定位机构、主动开卷机构（含电机、减速机等）、张力控制系统、接料平台、纠偏系统等组成。功能与动作：通过人工上料，料卷气缸定位，光电传感器检测料有无；具有人工接带平台，人工接料平台包括铝塑膜裁切刀、接带压板等，接带平台下方具有负压吸尘装置；铝塑膜通过张力控制器+磁粉制动器进行铝塑膜张力调节，保持铝塑膜张力和导入方向的恒定；具有双放卷结构，实现短时间停机作业，保证整条线体的时效性。放卷纠偏机构如图15所示。

图15 放卷纠偏机构

*放卷纠偏机构的相关精度参数如下：
张力范围：0～100N；
张力控制精度：±3N；
卷径检测：检测范围≥400mm，检测精度要求±0.1mm。
*为了保证铝塑膜在转运的过程中避免损伤，对过辊进行了特殊处理和加工。过辊材质：黑色硬质氧化的铝合金A6061，其镀层厚度大于4μm，过辊表面粗糙度为Ra0.8，使用寿命可达3年以上（保证设备使用效率、稼动率和产品合格率的前提下），辊轴轴承使用摩擦系数低的轴承，尽量减小转动阻力。
②切缝机构。切缝机构主要由直线轴承、立柱、气缸、裁刀、裁刀固定板等组成。其主要的功能与动作如下：冲坑前，用于对两张铝塑膜中间切缝释放应力，裁刀采用美工刀片，便于采购与备料，拉料到位，平台吸真空打开，上气缸驱动裁切机构切缝，裁切机构有吸尘罩，裁切过程中吸尘罩将裁切部位切口的粉尘进行负压吸附，保证裁切废料与粉尘可以吸附干净；吸尘风速要求≥15m/s；预裁位置精度0.3mm；裁切长度调整范围可根据需要进行选择。切缝机构如图16所示。

图16 切缝机构

*切缝机构通过在铝塑膜上进行划缝之后，为铝塑膜冲坑做准备。
③冲坑机构。冲坑机构主要由冲壳模具、伺服电机、减速机、滚珠丝杆、气缸、导向轴等组成。
*冲坑机构采用多个气缸进行压紧铝塑膜的动作，由伺服电机驱动滚珠丝杆进行冲坑，深度可自由通过软件设定，设定范围2～12mm。铝塑膜的压紧力通过伺服调节，模具有冲裁定位孔功能，采用双坑冲壳的方式，冲壳尺寸精度可控制在±0.1mm内，定位销孔采用气缸冲孔，冲孔精度±0.1mm，销孔废料从下模具板两边排出，设备冲壳模具两侧配备光栅（垂直于走带方向），检测到异物报警并停机，维护设置有安全防护的功能，防止维修人员被模具伤害。
*对冲坑机构具有换模需求，因而每台冲坑机会配做一台模具小车以方便换模具。
*冲坑机构使用次数多，因此材料选择很关键，主要有以下几种材料类型：底板45#调质+镀镍，顶板45#调质+镀镍，主立柱45#调质+镀铬，上模板SKD11+淬火+氮化，凹模SKD11+淬火+氮化，凸模KD11+淬火+氮化，凸模固定板45#+镀镍。冲坑机构如图17所示。

图17 冲坑机构

④裁切机构。裁切机构主要由导杆、切刀、切刀固定座、上气缸、下气缸、除尘机构等组成。其功能与动作是用于对铝塑膜定长分切，裁切时设有除尘装置。裁切刀一般使用寿命可达30万～50万次（同时具备寿命提醒报警），可修磨10次以上。在裁切时对刃口进行吸尘处理。吸尘风速要求≥20m/s，铝塑壳裁切精度为±0.2mm。裁切机构如图18所示。

                                                                                                           图18 裁切机构
(3)包装机：包装机是将极耳焊接机焊接好的电芯与冲坑机冲压好的铝塑膜组装成一个初步的电池形态。包装机的关键结构主要包含包装机夹具、对折机构、裁切机构、顶／侧封机构等。
①包装机夹具。包装机夹具是铝塑膜与电芯组装在一起完成各工序的重要载体，由齿轮齿条、角轴承、上形腔、下型腔、吸盘、定位块等组成。其工作原理为下型腔固定在支架上，并合理分布真空吸盘；上型腔由夹具翻转机构通过齿轮齿条翻转，可实现开、合、保持三位置要求，并合理分布真空吸盘；铝膜放入型腔后，真空吸盘工作，铝膜位置确定，在各工位流转中铝膜位置不变。由于铝塑膜是软体，为了保证铝塑膜坑很好地与电芯之间的相对尺寸位置，对于上、下型腔采用仿形电芯外形尺寸的方式进行加工，加工精度可以达到±0.2mm，为了使夹具尽量轻量化且能够保证强度要求，材质一般选用A6061并做表面氧化处理，经久耐用，对折后铝膜边缘对齐度±0.2mm。包装机夹具如图19所示。

                                                                                                             图19 包装机夹具
*通常夹具机构配有三位置检测磁性开关，实时检测上型腔位置。
②对折机构。对折机构主要由升降气缸、进退气缸、直线导轨、对折板等组成。其主要功能与动作为升降气缸保持在顶部位置，进退伺服将对折板推入铝膜折线正上方，升降气缸下行压紧铝膜，此时对折板边线与铝膜折线重合；转盘夹具闭合，进退气缸将对折板拉出，铝膜完全对折，转至下一工位；此时，铝塑膜内没有电芯，对折机构的整体精度可达到±0.2mm。对折机构如图20所示。

                                                                                           图20 对折机构
③裁切机构。裁切机构主要是用于对包装机上的铝塑膜进行裁切，主要由上切刀驱动气缸、下切刀驱动气缸、上切刀、下切刀、压紧机构、直线导轨、除尘机构、调压阀等组成，裁切位置有千分尺，方便人工调节。功能与动作为转盘转一工位，下气缸动作，下刀顶升，上气缸动作，弹簧压板接触铝塑膜后裁切铝塑膜，气缸同时复位。裁切机构如图21所示。

4 、设备选择与应用案例：某客户对电芯的尺寸提出以下要求（表1）；根据客户的需求，夹持电芯规格通过调节可共用夹手的方式进行，必要时可通过更换垫块实现不同规格电芯的生产（如治具、夹具、托盘），电芯尺寸规格的变化范围不得超过本设备的最大尺寸范围。