光伏組件自動化生產線上機械手的設計

申開愉， 趙科巍， 呂　濤

（山西潞安太陽能科技有限責任公司， 山西　長治　046000）

1　機械手系統基本原理

光伏組件自動化生產線機械手智能固化室包括倉儲配置管理和溫度濕度控制兩大部分。生產線的倉儲配置主要是通過機械手將光伏電池片組件抓取并堆放在物料架，循壞工藝完成之后，另一套機械手開始工作將物料架的組件抓取送至傳輸線。光伏組件自動化生產線上每套電池片組件物料架有15層框架結構，伺服電機作為控制和動力提供裝置控制機械手完成縱向和橫向動作。計算機控制系統對組件的傳輸路徑和目標位置通過空間坐標系統轉化為可以被機械手所識別的脈沖方波指令，指令經過Profinet網絡通訊被伺服電機驅動器接受。伺服電機編碼器可以將實際位置信號反饋給計算機控制系統，實現半閉環控制。

2　機械手主要的技術性能指標

光伏組件自動化生產線機械手設計時需要對主要的技術性指標進行明確，主要包括六個技術性能指標。一是原點坐標軸的確立，其中X=0 mm，Y=0 mm；二是起始點坐標軸，其中X=1 400 mm，Y=2 200 mm；三是伺服分辨率和電子齒輪比的確定，前者為102 784脈沖/轉，電子齒輪比為P03/P04=40∶1；四是橫動X軸和縱動Y軸的距離分別為2 800 mm和2 400 mm，電池組件物料架框架間的間隔以120 mm為宜；五是精度指標，其中系統控制精度＜0.01 TY1Y1/循環，脈沖發送的誤差率控制在0.001以下；六是滾輪周長為342.1 mm，減速箱齒輪比為1∶40，絲杠螺距為6 mm。

2　機械手設計構思

2.1　機械部分

光伏組件自動化生產線上機械手的設計主要包括機械部分設計和電控部分設計兩大部分[1]。其中機械部分主要包括旋轉基座、氣爪和三段臂。常見的機械手旋轉基座一般采用鋁材，旋轉基座要足以支撐機械手完成180°的旋轉，包括減速裝置、同步輪和同步帶三部分。氣爪選材的型號可以根據生產線的規模和成本進行適當調整，主要包括手指夾加工件和氣缸成品件。為了降低機械部分重量的同時保證強度，三段臂一般采用鋁材，設計人員要根據光伏組件生產線機械手驅動電機的尺寸進行三段臂各段寬度、長度等的設計，做到比例勻稱、重量較強、大小適中。不同的臂之間利用軸進行連接和配合，通過同步帶、同步輪和減速裝置實現傳動[2]。

2.2　電控部分

機械手電控部分主要由交流伺服系統、組態王軟件、可編輯邏輯控制器和光纖傳感器組成。光伏組件自動化生產線中常采用日本松下公司制造的MSD5A1A1X型號的交流伺服系統，其主要用途是作為旋轉基座和三段臂的驅動元件。組態王軟件可以對機械手的操作系統運行進行控制，企業可以根據自身生產規模和生產線要求進行具體型號的選擇和二次開發利用。PLC是機械手整個電控部分中最為重要的部分，也是機械手的核心控制元件，日本三菱公司制造的FX2N-48MT型號的PLC控制器可以保證較好的工作效果。機械手各運動元件對原點位置進行確定的定位元件即為光纖傳感器，主要包括光纖線和光纖放大器兩部分。

3　機械制造單元設計

3.1　機械臂設計

機械手對于機械臂設計的要求為可承受一定的重力且比例勻稱，光伏組件自動化生產線所應用機械手的機械臂以采用鋁型材作為原料較為前沿。三段臂每段臂的外形尺寸應按照相應的比例進行調整。為了增強機械手的美觀度和可操作性，以軸連接作為不同段臂進行連接的主要方式，臂與軸之間采用鍵和承進行連接。軸的具體結構形式如圖1所示。機械臂作為機械手的工作機構，確保力矩設計的合理性是保障機械臂順利運動的重要條件，可以在三段臂間的傳動采用諧波齒輪減速器，柔性零件所產生的彈性波是諧波齒輪彈性波傳遞力和運動的基礎，該裝置具有輸出力矩大且體積小的優勢，可以直接安裝在機械臂上。三段臂運動所需的力矩大小不同，因而可以通過齒數不等的同步帶和同步輪配合實現機械臂力矩的傳遞。三段臂的齒數必需要根據實際的生產線要求和裝置型號進行調整。

圖1　機械臂連接軸結構

3.2　氣爪動作設計

氣爪工作的可靠性直接關系到機械手的工作效率和光伏電池組件的抓取效果，因此在進行氣源氣動管路和氣爪動作設計時必須要充分考慮可靠性和合理性?？梢酝ㄟ^在管路中安裝減壓閥、壓力繼電器以及空氣過濾器等方式提高氣爪動作可靠性。氣源三聯件本身就已經配備了油霧器、空氣過濾器和減壓閥，因而本身體積較小，在小規模的自動化設備配套中可以進行應用，且安裝難度較低，優質鋁合金的選材使得其安全性和工作穩定性也比較高。使用氣源三聯件的機械手氣爪當空氣壓縮機停止工作時可以進行自動排水，減壓閥壓力調節的靈敏度也比較高。

3.3　轉盤設計

機械手轉盤同樣采用強度較高重量較輕的鋁型材進行加工。由于機械手轉盤上方三段臂的重量較大，為了確保生產效率，可以在下方安裝一個大型諧波齒輪減速器，從而降低驅動馬達功率，增大馬達輸出力矩，確保機械手轉盤運動的平穩性和緩速。

4　計算機控制系統簡析

光伏組件自動化生產線機械手的計算機控制系統的每個單循環所執行的程序算相同，都是執行T1-T102程序段程序內條件選擇的可執行程序，具體如圖2所示。機械手計算機控制系統包括組織切、功、功能切、用戶定義數據、系統功育齡以及數據塊等多個子程序模塊組成，可以采用結構化的程序將復雜的程序劃分為多個簡單的模塊，每個模塊執行特定的功能，最終實現對機械手的綜合控制，這樣的固化室機械手程序簡化數據處理的計算量，提高了光伏組件生產的穩定性和產品質量。

圖2　思維邏輯框圖

5　結語

利用計算機系統對機械手進行控制的自動化生產線已在現代設備制造行業中得到了廣泛青睞，光伏行業作為新興的工業生產領域，機械手應用具有較高的可操作性和市場價值。芯片技術的進步和計算機數據處理能力的增強，將推動光伏組件自動化生產線的完善和成熟，促進我國現代化工業的發展。

[1]張順星.PLC及伺服電機的精確定位輸送機械手設計[J].機械與電子，2015（4）：37-38.

[2]曹振平.一種以流動單元體為載體的精密傳感器自動化裝配生產線的研究與設計[J].機床與液壓，2015（20）：89-90.