光伏組件自動化生產線機械設計研究

單建勇,陳 峰,洪哲成

(浙江金貝能源科技有限公司,杭州 311500)

機械設計要考慮功能性及自動化水平,保證產品滿足實際需求[1]。機械手在冶金、制造、電力、化工等行業應用廣泛,技術復雜度較高,需借助計算機自動化系統對數據進行合理控制,完成整理、分析、運算等工作[2]。

光伏組件自動化生產機械手設計主要包括倉儲配置管理與溫濕度控制兩部分,生產線倉儲配置利用機械手系統抓取光伏電池片組件,在物料架中堆放,完成循環工藝后運作另一套機械手,成功抓取物料架中的組件向傳輸線輸送[3]。光伏組件自動化生產線中,每套電池片組件物料層的整體框架結構為15層,伺服電機是其中的控制裝置及動力裝置,負責控制機械手的具體操作,如縱向、橫向等動作。計算機控制系統在傳輸路徑及所處目標位經空間坐標系統轉變為脈沖方波指令,保證此指令被機械手成功識別,經Profinet網絡通信被伺服電機驅動器接收控制指令,伺服電機編碼器向計算機控制系統反饋實際所在位信號,從而達到半閉環控制的目標[4]。

本研究對光伏組件自動化生產工藝進行機械設計優化,以機械手為研究對象,以光伏組件生產為切入點,解決光伏組件易損及自動存取難度大等問題,以提升生產線自動化程度,確保工業生產的安全性。

1 自動化機械手系統設計

裝配線機械手可進一步拓展并延伸人類生產活動,代替人工進行危險環境下的裝配作業,降低人工裝配的安全風險及事故發生率,提高工作效率及生產質量。自動化機械手憑借自身優勢已廣泛應用于飛機制造、汽車制造、通用制造等領域。

1.1 主要性能指標

光伏組件自動化生產線機械手設計應明確主要技術指標[5]:確定原點坐標軸,x、y均為0 mm。確定x軸起始點為1400 mm,y軸起始點為2200 mm。確定機械手的伺服分辨率達到102 784脈沖/轉,電子齒輪比PO3與PO4比值為40∶1。x軸橫動2800 mm,y軸縱動2400 mm,控制電池組件的物料框間隔為120 mm。機械精度指標需將誤差控制在0.01以下,TY1/Y1循環脈沖的誤差率低于0.001。機械手滾輪周長達到342.2 mm,減速箱齒輪比為1∶40,絲杠間距6 mm。

1.2 機械手設計

1.2.1 機械部分

光伏組件系統設計主要包括機械與電控兩部分。機械部分為旋轉基座、三段臂、氣爪,常用鋁材為旋轉基座,保證其達到180°旋轉,主要由減速裝置、同步帶、同步輪組成。選擇氣爪型號時,要以生產線規模、成本為依據進行適當調整,包括手指夾加工件、氣缸成品件。為降低機械部分的整體重量,需確保機械強度,三段臂選用鋁材,按照機械手系統所用驅動電機尺寸大小,分別設計三段臂的寬度、長度,保證尺寸均勻、重量足夠、大小適中。不同臂之間需完成軸接,保證不同軸的密切配合,機械手系統可經同步帶、同步輪、減速裝置進行傳動[6]。

1.2.2 電控部分

機械手電控部分主要包括交流伺服系統、可編輯邏輯控制器、組態王控制軟件、光線傳感器等。選用MSD5A1A1X型號自動化生產交流伺服系統作為三段臂及旋轉機座的驅動組件,組態王負責控制機械手操作系統。根據光伏組件生產作業與生產線規模自主選擇軟件型號,修改后利用[7]。PLC控制元件是整個電控系統的核心,選用FX2N-48MT型號,用光線傳感器確定原點所在位置。

在現場級電氣儀表自動化控制系統設計中,電氣設備的現場運行包括執行、測量儀表及伺服機構,在設備運行中需直接控制電氣設備生產過程,采集并成功轉換測量信號,當遇到上位機系統故障時,應進行緊急操作處理。選用S7-300PLC設備,經現場通信Profibus總線實時采集過程類信號,經工業以太網達到上位機數據通信要求,滿足系統控制需求,可以部分滿足全自動化功能,部分滿足半自動化功能。

在監控級電氣設備及儀表自動化控制中,經工業以太網及控制計算機實現監控功能。在高爐電氣設備及儀表控制中,通過監控級設計滿足設備監控操作要求,在工業控制計算機下級系統完成數據信號的接收、采集、存儲,顯示監控設備及儀表運行情況。模擬設計了69個輸入端口,24個輸出端口[8]。考慮到存在余量,設計包含3個備用的9個輸入模擬量共72個端口,3個輸出模擬量的24個端口。

1.3 機械制造單元設計

1.3.1 機械臂設計

機械臂設計對于機械手來說非常重要,需能夠承受一定的重量,保證均勻比例。光伏組件自動化生產線選用鋁材為機械臂原料,根據相應比例調整三段機械臂的外形尺寸。為進一步增強機械手的美觀性及可操作性,采用連軸不同段方式,將機械臂經鍵、軸連接(見圖1)。機械臂作為主要的運行工作組件,需合理設計機械臂力矩,保證機械臂的正常運行,對所連接的三段臂應經諧波齒輪減速器達到連接傳動作用,令柔性零件形成一定的柔性彈性波作用,成為諧波齒輪彈性傳遞運動力的重要組件,在實際運行中發揮小體積、大輸出力矩的優勢,便于在機械臂中直接安裝。要想使三段臂滿足不同組件生產所需的差異化力矩,可利用不同齒輪數量的同步帶、同步輪配合,有效傳遞機械臂力矩。三段臂齒數需結合生產實際進行針對性調整。

圖1 機械臂連接軸結構Fig.1 Mechanical arm connecting shaft structure

1.3.2 氣爪動作

光伏組件生產中,氣爪運行的安全可靠與機械手的運行工效及生產質量密切相關,故在設計氣源氣動管路及具體動作時,應保證氣爪動作的合理性、可靠性。將減壓閥、壓力繼電器、空氣過濾器等合理安裝在管路中,保障氣爪的運行安全。氣源三聯件原本在空氣過濾器、減壓閥、油霧器中運作,設計體積較小,可用于小規模自動化配套設備,降低安裝難度,保證鋁合金控制的安全穩定性。應用氣源三聯件的氣爪動作要保證在空氣壓縮機停止自運作狀態下,可自啟動排水程序,提升組件靈敏度。

1.3.3 轉盤設計

機械手系統的轉盤設計需采用高強度、小體積、輕質量的鋁材料,減小轉盤重量對加工過程的影響。考慮到轉盤設計在上方三段臂有較大的重量,為保證整體生產效率,將大型諧波齒輪減速器安裝在三段臂下方,以有效減小驅動馬達功率,在一定程度上增加馬達輸出力矩,保證機械手轉盤的平穩運作。

2 光伏組件自動化控制軟件系統

選用STEP7編程軟件作為用于PLC組態編程的標準軟件包,提供所需的一系列工具,包括編程語言、SIMATIC管理器、硬件及網絡組態、符號編輯器及診斷等。根據軟件包的硬件網絡組態功能,便于機械手自動化控制中的直觀、簡便、易修改,滿足在線編程、離線編程等操作,方便管理人員根據實際工作需要創建自動化解決方案(見圖2)。

圖2 項目創建流程Fig.2 Project creation process

該項目創建主要用于自動化控制具體任務的解決操作方案存儲,設計最終生成相應的操作程序及相關數據,主要包括硬件結構相關模板參數及組態數據,設計網絡組態數據及相關編程,均在同一項目中收集。在創建項目成功生成后插入站即可組件,組件過程需充分借助模板樣本來定義可編程控制器的CPU處理器及各系統功能,雙擊硬件組態,啟動相應程序。對于硬件存儲推出組態,可各自生成組態相應的可編程功能模板,成功生成能夠實現網絡可編程功能模塊的自定義通信連接表及相應的操作程序。在成功完成硬件組態后生成模塊編程軟件,在相應的對象文件夾內存儲可編程軟件,命名為S7-Program。該程序的子功能菜單能夠使用戶根據自動化控制功能需要選擇想要生成的數據塊、功能塊等,成功創建一個空白塊之后,設計相應的語句表、功能圖及梯形圖等程序,輸入即可。

建立S7-300的PLC可編程語言,包括LAD(梯形圖)、STL(語句表)、FBD(功能塊圖),在PLC功能軟件中的梯形圖是系統功能圖形的主要表達方式,建立的語法指令類似于繼電器的梯形邏輯。在光伏組件生產線自動化控制中,經過不同觸點復合元器件的電信號與信號輸出線圈可建立梯形圖,滿足人們對光伏組件生產線各設備儀表參數流動情況的實時追蹤。在此PLC功能軟件應用中,語句表是更易理解的文本表達,類似于機器碼,可根據原定步驟指令執行相應的CPU控制程序。功能塊圖用于表達該PLC編程語言的圖形表現,主要經布爾代數邏輯框加以表示。

通過執行光伏組件自動化生產線機械手控制系統實現了各類系統功能,定義了數據等多個子程序模塊,簡化了人工操作,經程序劃分簡單模塊,執行特定功能,提高了光伏組件自動化生產質量及工效,減少了成本投入。

3 結束語

對光伏組件自動化生產線進行研究,以機械手控制系統為研究對象,從硬件、軟件兩部分入手設計機械手,確定了硬件設備設計中的主要性能指標,以完成機械及電控、機械臂、氣爪、轉盤等設計。對計算機軟件控制系統進行說明,實現自動化創建項目運作流程,充分提升光伏組件的自動化生產效率,減少成本投入,提升企業經濟效益。