动力电池极片激光切割系统 【技术领域】
本发明涉及一种切割系统，特别是一种动力电池极片激光切割系统。
背景技术
目前，全球各大汽车企业在新能源技术领域展开了一场激烈竞赛，对于动力电池开发生产竞争进入白热化阶段，动力电池跟一般电池相比其特点为充放电电流大、容量大，一般有10安·时、50安·时、100安·时、300安·时等不同规格，随着需求增长，可能出现更大功率更大容量的动力电池。生产动力电池，需要优质的电池原料，合适的生产工艺，严格的过程控制。动力电池是把正、负极片数量从10几张到几百张不等，交错叠放，正、负极片间放置绝缘隔膜，然后所有正极片极耳压接到正极极耳端子上，所有负极片极耳压接到负极耳端子上，然后装入电池壳、化成、封装处理即成动力电池。电池极片材料为片状，整卷装于辊筒上，需要用一定设备切割成需要的形状尺寸，但如果切割质量不好，将出现极片边缘产生毛刺、极片表面损伤，极片尺寸不一致等问题，极片边缘毛刺及极片损伤将造成正负极片间的隔膜破损，形成短路现象，极片尺寸不一致会造成电池容量不一致问题。现有技术就是采用刀模和冲床结合的方式冲切或者滚切动力电池极片以实现极片分割。现有技术存在以下缺点：1、冲切出的极片边缘毛刺大、边料脱落、金属屑多，无法稳定产出合格的电池极片；2、刀模损坏速度快，频繁更换刀模成本高；3、更换刀模调试困难，操作人员劳动强度大；4、更换刀模后冲切出极片尺寸不一致，造成电池容量不稳定。
【发明内容】
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种高精度、高效率、全自动化的生产动力电池极片的专用激光切割系统，并研究出应用于动力电池极片切割的工艺路线，达到高质量的切割效果，达到适合工业级量产的效率(切割速度每分钟10米以上)，彻底解决动力电池极片毛刺问题及因极片尺寸变化造成的电池容量不稳定问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
动力电池极片激光切割系统，包括自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统和控制卡子系统，自动上料子系统将被分割极片材料送入激光切割子系统，激光切割子系统将送入极片材料按给定尺寸切割，自动分拣成品子系统将切割好的极片及边料分别装入成品盒和废料回收盒，控制卡子系统集中控制自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统。
进一步，自动上料子系统包括装料辊，所述装料辊的输出端连接有纠偏装置，纠偏装置的输出端连接有送料平移台，送料平移台的输入端连接有感应器；极片材料从装料辊送入，通过纠偏装置自动纠正偏移尺寸，配合感应器定位送入合适长度的极片材料。
进一步，激光切割子系统包括激光光源、激光器、声光Q开关、扩束镜、X、Y平移台或者振镜、激光头，激光电源加在激光器上，激光器产生光束输出，经声光Q开关调制产生脉冲激光，然后经扩束镜扩束，再经激光头聚焦产生高能脉冲激光，以振镜或者X、Y电控平移台控制激光高速移动的方式实现阵列切割多片极片。
进一步，极片材料放于一模板上，模板上有符合激光切割轨迹的沟槽，且具有负压装置，切除的粉料经负压装置自动排出。
进一步，自动分拣成品子系统包括负压吸盘、收料吸盘、清洁台、成品入盒吸盘，该子系统将切割好的极片和边料经负压吸盘一起吸走，收料吸盘把极片和边料放置到一中转清洁台上，经风淋除粉尘后，用成品入盒吸盘吸走成品极片放入成品盒，边料刮入废料回收盒。
进一步，控制卡子系统包括以微处理器为核心的控制卡，控制卡的一端连接有计算机，其输出端分别连接到自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统，控制卡上装有软件，需要切割的图形经过计算机编辑后生成数据文件，然后导入控制卡并存储，控制卡根据数据文件在专用软件控制下完成自动化切割。
进一步，该控制卡还连接有液晶面板，液晶面板上有可以人为控制设备运转的按钮和运行状态显示屏。
进一步，激光器为脉冲单模光纤激光器或半导体侧面泵选模激光器。
进一步，半导体侧面泵选模激光器包括密封激光腔体、红光发生器、45°红光反射镜一、45°红光反射镜二、全反射镜、声光Q开关、半导体侧面泵激光模块、光阑一、光阑二、85％反射镜、扩束镜、声光Q驱动电源和激光模块电源，其中全反射镜、声光Q开关、半导体侧面泵激光模块、光阑一、光阑二、85％反射镜、扩束镜为同轴同心装配，通过调整全反射镜与85％反射镜之间距离及光阑一、光阑二的中心孔大小实现输出激光束。
进一步，X、Y平移台采用以激光光头移动而动力电池极片材料固定的模式进行切割。
本发明的有益效果是：动力电池极片激光切割系统的非直接接触，柔性加工，彻底解决以前冲床刀模切割等方式切割后产生的毛刺及边料脱落问题，产出极片质量高；本发明无需频繁更换刀模，省去更换刀模的时间和刀模消耗成本，切出极片尺寸统一，设备容易维护，生产成本低；本发明采用控制卡子系统对整个激光切割系统进行集中控制，自动化程度高，而且可以一次阵列切割多片极片，效率高。其中半导体侧面泵选模激光器能量强劲，激光功率输出可达45瓦，频率在1-50KHz范围可调，这样的能量足够维持24米/分钟的速度切割极片，相比最高功率为25瓦的脉冲单模光纤激光器最高10米/分钟的速度有140％的提升，其造价成本相比25瓦的脉冲单模光纤激光器节约大概50％以上的造价成本。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的系统方框图；
图2是本发明的系统原理图；
图3是本发明的控制时序图；
图4是本发明的半导体侧面泵选模激光器原理图。
【具体实施方式】
参照图1，动力电池极片激光切割系统，包括自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统和控制卡子系统，自动上料子系统将被分割极片材料送入激光切割子系统，激光切割子系统将送入极片材料按给定尺寸切割，自动分拣成品子系统将切割好的极片及边料分别装入成品盒和废料回收盒，控制卡子系统集中控制自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统。
参照图2，进一步，自动上料子系统包括装料辊，所述装料辊的输出端连接有纠偏装置，纠偏装置的输出端连接有送料平移台，送料平移台的输入端连接有感应器；极片材料从装料辊送入，通过纠偏装置自动纠正偏移尺寸，配合感应器定位送入合适长度的极片材料。
激光切割子系统包括激光光源、激光器、声光Q开关、扩束镜、X、Y平移台或者振镜、激光头，激光电源加在激光器上，激光器产生光束输出，经声光Q开关调制产生脉冲激光，然后经扩束镜扩束，再经激光头聚焦产生高能脉冲激光，以振镜或者X、Y电控平移台控制激光高速移动的方式实现阵列切割多片极片。
极片材料放于一特制模板上，模板上有符合激光切割轨迹的沟槽，且具有负压装置，切除的粉料经负压装置自动排出。
自动分拣成品子系统包括负压吸盘、收料吸盘、清洁台、成品入盒吸盘，该子系统将切割好的极片和边料经负压吸盘一起吸走，收料吸盘把极片和边料放置到一中转清洁台上，经风淋除粉尘后，用成品入盒吸盘吸走成品极片放入成品盒，边料刮入废料回收盒。
控制卡子系统包括以微处理器为核心的控制卡，控制卡的一端连接有计算机，其输出端分别连接到自动上料子系统、激光切割子系统、自动分拣成品子系统，控制卡上装有专用软件，需要切割的图形经过计算机编辑后生成数据文件，然后导入控制卡，控制卡根据数据文件在专用软件控制下完成自动化切割。
该控制卡还连接有液晶面板，液晶面板上有可以人为控制设备运转的按钮和运行状态显示屏。
作为优选的实施方式，该系统以DSP处理器为核心制作的控制卡，附以专用软件，需要切割的图形经过软件编辑后生成数据文件，数据文件通过USB线由计算机导入控制卡，然后可以脱机工作，整个设备进入自动工作状态，液晶面板上有停止、开始、调整参数等设置按钮，可以人为控制设备运转状态。
同时，控制卡控制送料平移台按设定长度送料，纠偏装置自动实时纠偏，保证进入材料顺畅平整，当材料到达模板后，感应器检测材料分界线，精确定位材料，完成后给控制卡反馈一路电平信号，控制卡准备执行切割，同时启动激光电源，激光器启动。
控制卡调用USB线导入的数据文件，执行切割，控制卡输出一路电平信号打开模版下负压阀门，负压启动，吸附极片材料，同时输出一路脉宽调制信号控制Q开关驱动器，Q开关驱动器输出1-50KHz脉宽调制信号通过声光Q开关控制激光的关断，同时输出两路脉宽调制信号控制步进电机，使X、Y平移台按数据文件轨迹移动激光头或者控制振镜使激光能实现移动，激光从激光器传输到扩束镜，获得准直激光束，激光束经聚焦后实现对工件地切割，完成后控制卡启动成品分拣子系统。
控制卡输出一路脉宽调制信号控制步进电机移动中转收料吸盘到切割好的极片上方，然后下压紧贴极片，然后负压装置收料吸盘处阀门打开，吸附切割好的极片及边料一起放到清洁台上，控制卡同时启动送料子系统再次送料，同时中转收料吸盘回归零位，然后控制卡再次启动激光切割子系统开始切割，同时控制卡输出一路脉宽调制信号控制步进电机移动入成品盒吸盘移动到清洁台上，同时成品入盒吸盘处负压装置阀门打开吸附成品极片，然后把极片装入包装盒内，同时控制卡输出一路电平信号，启动清洁刷平扫一次清洁台，使得极片边料及粉尘一同扫入回收盒；然后激光切割子系统完成切割；成品分拣子系统启动。
图3是本发明的控制卡时序图，控制卡就是按照这个既定的时序图，分别产生控制信号控制各子系统不断循环工作，有序地自动完成极片材料的切割。
进一步，激光器为脉冲单模光纤激光器或半导体侧面泵选模激光器。
参照图4，半导体侧面泵选模激光器包括密封激光腔体13、红光发生器1、45°红光反射镜一2、45°红光反射镜二3、全反射镜4、声光Q开关5、半导体侧面泵激光模块6、光阑一7、光阑二8、85％反射镜9、扩束镜10、声光Q驱动电源11和激光模块电源12，其中全反射镜4、声光Q开关5、半导体侧面泵激光模块6、光阑一7、光阑二8、85％反射镜9、扩束镜10为同轴同心装配，通过调整全反射镜4与85％反射镜9之间距离及光阑一7、光阑二8的中心孔大小实现输出01模激光束。
图4中，通过调整全反射镜4与85％反射镜9之间距离为700mm-800mm之间，而光阑一7的孔径为1.5-2mm、光阑二8的孔径为0.8-1.2mm的中心孔大小实现输出优质激光束，光束模式达到01模。激光产生的过程是，激光模块电源12输出20伏0-30安的直流电，直流电加载于半导体侧面泵激光模块6上，半导体侧面泵激光模块6内部发光二极管工作，发出波长在800-900纳米之间的强光，光被半导体侧面泵激光模块6内晶体吸收，晶体内原子吸收光能，原子核外电子能级上升，因其不稳定，发生跃迁，释放光子，随着不断的给晶体输入光能，大量光子产生，这些光子在全反射镜4与85％反射镜9之间振荡，当超出阈值时，即在85％反射镜9处输出激光束。激光束经扩束镜10扩束准直后传入光头，经光头内焦距100mm聚焦镜聚焦，在焦点处能获得30微米的光斑。
进一步，作为优选实施方式，X、Y平移台采用以激光光头移动而动力电池极片材料固定的模式进行切割。
本发明所用光动系统为X、Y平移台和振镜两种模式，振镜选件，采用210mm焦距镜头，切割范围140mm×140mm；X、Y平移台焦距不受范围影响，焦距可固定为100mm，激光聚焦后光斑小，切割断口光滑，范围可根据需要任意设定、任意制作，目前主要采用X、Y平移台选件，设定范围是600mm*400mm，根据客户动力电池极片不同尺寸，可以一次切割-14片极片，生产效率高。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。