太陽能電池柔性裝配系統機械手運動路徑研究

■馬鋼集團姑山礦業公司鐵路運輸車間 （安徽 243181）曹 靜

■皖江職業教育中心學校 （安徽 243002） 庾 鵬

太陽能電池是將太陽能轉換成電能的裝置，多塊太陽能電池經焊接裝配形成的大型太陽能電池板，可增加太陽能的采集總量，提高太陽能的利用率。太陽能電池柔性裝配系統包含抓取機械手和焊接機械手，可根據太陽能電池的尺寸參數和特點，實現太陽能電池的自動化裝配。

1. 焊接機械手的焊接方案

如圖1所示，太陽能電池在焊接過程中，兩塊相鄰的太陽能電池電極需搭接在一起，即一塊電池的正極與另一塊電池的負極相連接，焊接接頭區域被完整的嵌在兩塊電池中間，目標焊接區域加熱非常不便，不宜采用熔化焊方式。若選用壓力焊接，太陽能電池電極易在高溫高壓下發生變形，對太陽能電池的使用性能產生不良影響。

因此，太陽能電池的焊接選用釬焊焊接方式。

圖1 太陽能電池目標焊接區域圖

2. 抓取機械手的運動路徑研究

抓取機械手主要起到抓取、排列太陽能電池的作用，是將太陽能電池按照預定的設計要求排列起來；機械手共抓取12塊太陽能電池，排列成4行3列。

基于全局坐標系，在抓取機械手工作時，把太陽能電池初始位置設為坐標原點；太陽能電池形狀是規則的物體，則在xoy平面內的投影為規則矩形；在研究抓取機械手路徑運動方案時可將每塊太陽能電池在xoy平面內簡化成質點，該質點即為太陽能電池的幾何中心點，則抓取機械手的運動路徑可以簡化成圖2所示模型。

圖2 抓取質點簡化模型

由于太陽能電池的長度、寬度尺寸不同，故當x方向的速度vx與y方向的速度vy相同時，抓取機械手在x、y分量方向所需要的時間不同。當vx遠大于vy時，抓取機械手在完成x方向的移動量之后需要在y方向運動一段距離；當vx遠小于vy時，情況相反。

根據兩點之間線段最短的原則，抓取機械手在xoy平面最理想的運動路徑就是直線運動。在相同的運動時間內，x軸和y軸可以同時達到終點，這不僅保證了最短的時間，也保證了最短的路程，即兩個固定點之間選擇出最優的運動路徑。則抓取機械手抓取12塊電池的過程就演變為同一原點到12個不同終點的直線運動，如圖3所示。

圖3 抓取機械手運動路徑演變

考慮到相鄰兩塊太陽能電池是堆疊搭接方式，所以不能隨意抓取擺放，需按照某種抓取順序才能完成預定的要求。以第一列太陽能電池的抓取排列為例，若第一次抓取的太陽能電池擺放在編號1的位置，則第二次抓取的太陽能電池可以擺放在編號2或者編號5的位置；若第一次抓取的太陽能電池擺放在編號2的位置，則編號1的位置不易放置太陽能電池塊；若第一次抓取的太陽能電池擺放在3或者4的位置，均會出現相鄰的太陽能電池抓取放置困難等問題。同理，對于第2列和第3列太陽能電池的排列抓取也會出現以上排列問題。

基于以上分析易知，抓取機械手在抓取時優先沿著x軸正方向或y軸正方向依次抓取；即若按照x軸正方向抓取太陽能電池，則太陽能電池的最優位置擺放順序為1、5、9、2、6、10、3、7、11、4、8、12(電池位置編號)；若按照y軸正方向抓取太陽能電池，則太陽能電池的最優位置擺放順序為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。綜上所述，抓取機械手有多種運動路徑，沿著x軸或y軸順序依次排列擺放運動路徑最優。

如圖4所示的運動路徑，為沿著y軸正方向依次抓取排列方式。工位01為抓取機械手的初始位置（也是復位位置），工位02是電池位置；A1過程是將抓取機械手從工位01運動到工位02，為機械手排列太陽能電池做準備運動；B1過程是抓取機械手工作過程。抓太陽能電池是一塊一塊抓取的，當機械手完成抓取和排列太陽能電池之后，會往返到工位02抓取下一塊太陽能電池，再進行排列擺放。當抓取機械手完成一排電池擺放之后，將自動按照設定路徑排列第二排、第三排太陽能電池，兩排之間留有間隙。當抓取機械手完成其抓取和排列工作之后，沿著C1過程所示的路徑返回。若需要繼續工作，則返回到工位02；若不再需要工作，則返回工位01復位，以方便下一次的工作。

3. 焊接機械手的運動路徑研究

焊接機械手主要是將相鄰的兩塊太陽能電池焊接在一起，完成焊接工藝。太陽能電池排列成4行3列，需要焊接9次才能完成全部焊接工藝。將焊接位置簡化成9個質點，再將9個質點串聯起來，即為焊接機械手在焊接過程中的運動路徑，如圖5所示。

圖4 抓取機械手的路徑方案

圖5 焊接運動路徑

根據機械手在焊接過程中走的“S”型路線，可以計算出其在完成9次焊接時所需要走的總路程S1，易得：

已知太陽能電池的規格參數，設長度尺寸為a，寬度尺寸為b（a＞b），兩列電池之間的

間隙為δ，則：

機械手完成焊接過程所走的總路程S1為：

抓取機械手和焊接機械手的路徑規劃完成后，在PLC系統的控制下，完成了兩者的協同工作，實現了太陽能電池的柔性裝配功能。

4.結語

太陽能電池柔性裝配系統具有結構簡單、運動準確、反應靈敏和控制精度高等特點，對系統機械手運動路徑的研究有助于提高太陽能電池的裝配質量和生產效率，其中抓取機械手的運動路徑有多種，沿x或y軸正方向運動路徑最優；而對焊接機械手設計出“S型”運動路徑方案，符合焊接機械手的運動要求。

[1] 龐國星. 工程材料與成形技術基礎 [M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[2] 彭芳. 釬焊技術的特點與應用[J]. 內蒙古：內蒙古石油化工，2011，37（2）：118.