■馬鋼集團姑山礦業(yè)公司鐵路運輸車間 （安徽 243181）曹 靜

■皖江職業(yè)教育中心學(xué)校 （安徽 243002） 庾 鵬

太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，多塊太陽能電池經(jīng)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(tǒng)包含抓取機械手和焊接機械手，可根據(jù)太陽能電池的尺寸參數(shù)和特點，實現(xiàn)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(qū)域被完整的嵌在兩塊電池中間，目標焊接區(qū)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(fā)生變形，對太陽能電池的使用性能產(chǎn)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(qū)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(yù)定的設(shè)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(shè)為坐標原點；太陽能電池形狀是規(guī)則的物體，則在xoy平面內(nèi)的投影為規(guī)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(nèi)簡化成質(zhì)點，該質(zhì)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(zhì)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(jù)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(nèi)，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(yōu)的運動路徑。則抓取機械手抓取12塊電池的過程就演變?yōu)橥辉c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(yù)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(xiàn)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(xiàn)以上排列問題。

基于以上分析易知，抓取機械手在抓取時優(yōu)先沿著x軸正方向或y軸正方向依次抓?。患慈舭凑誼軸正方向抓取太陽能電池，則太陽能電池的最優(yōu)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(yōu)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(yōu)。

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(fù)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(shè)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(xù)工作，則返回到工位02；若不再需要工作，則返回工位01復(fù)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(zhì)點，再將9個質(zhì)點串聯(lián)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(jù)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(guī)格參數(shù)，設(shè)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(guī)劃完成后，在PLC系統(tǒng)的控制下，完成了兩者的協(xié)同工作，實現(xiàn)了太陽能電池的柔性裝配功能。

4.結(jié)語

太陽能電池柔性裝配系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運動準確、反應(yīng)靈敏和控制精度高等特點，對系統(tǒng)機械手運動路徑的研究有助于提高太陽能電池的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)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(yōu)；而對焊接機械手設(shè)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(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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