袁躍梅,徐新宇
(南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院,江蘇 南通 226004)
太陽能作為一種新型綠色能源已廣泛應(yīng)用于各行業(yè),為工作生活提供了極大便利[1]。光伏組件作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成元件,它的生產(chǎn)效率顯得尤為重要。DHJ-A新型疊焊機(jī)是實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)光伏電池組件的自動焊接疊層工序設(shè)備,但現(xiàn)有的疊焊機(jī)匯流條拉取精度達(dá)不到要求(誤差≤1 mm),抓取擺放位置有偏移[2],且安全防護(hù)等級不完善,對設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及光伏組件產(chǎn)量和質(zhì)量帶來較大的影響。因此,設(shè)計(jì)一種全自動控制系統(tǒng)程序用來提高安全防護(hù)等級和快速拉、抓取匯流條具有重要意義。本設(shè)計(jì)主要研究設(shè)備在不需要人工焊接情況下,自動完成匯流帶運(yùn)送,包括吸取、移動、放置等。通過匯川PLC編程控制完成運(yùn)帶抓取的各個功能,同時(shí)研究試驗(yàn)拉伸比能否降低拉取焊帶長度誤差,減小拉取的匯流條誤差,提高抓取的擺放位置,增大太陽能電池片的聚光性,提高安全防護(hù),提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及操作軟件的簡易性。
疊焊機(jī)運(yùn)行時(shí),由工作人員在觸摸屏上選擇初始化模式夾爪、壓固、抓取走到初始位,在觸摸屏上點(diǎn)擊自動模式,按下啟動按鈕,夾爪進(jìn)行自動夾住匯流條并運(yùn)行設(shè)定的長度值,切刀伸出再下切抬起并縮回。夾爪將切下的匯流條依次運(yùn)送到真空3、真空2、真空1,夾爪放下匯流條時(shí),壓固壓住匯流條末端,防止夾爪后退時(shí),帶動匯流條設(shè)定位置,依次打開真空使匯流條吸在擺放位。當(dāng)備料完成后抓取單元去抓取擺放位上的匯流條,將它們精確地?cái)[放在托盤上進(jìn)行疊焊,其平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 平面結(jié)構(gòu)圖
本設(shè)計(jì)以疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取工序?yàn)檠芯繉ο?,即將匯流條卷放在放料電機(jī)上,手動拉匯流條穿過切刀口,前壓壓住匯流條,做好匯流條的放料準(zhǔn)備。點(diǎn)動切刀下切再縮回初始位,讓匯流條超出切刀的長度成為初定值,再放上重錘使匯流條始終保持拉直狀態(tài),運(yùn)帶結(jié)構(gòu)主要由放料、剪切和拉取組成。疊焊機(jī)的抓取系統(tǒng)作用是抓取在擺放位的匯流條,利用真空吸嘴吸住匯流條,將匯流條精確地放在托盤上進(jìn)行疊焊[3],抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。
圖2 抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
由于疊焊機(jī)科技的快速發(fā)展及裝備規(guī)模的擴(kuò)大,本設(shè)計(jì)選擇PLC為控制核心。PLC相當(dāng)于一臺計(jì)算機(jī),包含了CPU、存儲器和定時(shí)器等硬件,具有邏輯運(yùn)算和順序控制等功能。PLC控制器抗干擾能力強(qiáng),在采集數(shù)據(jù)的速度和運(yùn)算精度方面較為出色,能夠適應(yīng)惡劣的復(fù)雜工業(yè)環(huán)境。除此之外,PLC控制器的可擴(kuò)展性能好,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)留部分I/O接口,方便之后產(chǎn)品更新和功能拓展等[4]。通過電磁閥脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)真空調(diào)節(jié)抓取在擺放位的匯流條,從而完成匯流條的精確放置及焊接。
如圖3所示為疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖,整個系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、拉取/抓取/壓固伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器等組成。A/D、D/A與拉取/抓取/壓固伺服電機(jī)為控制系統(tǒng)的輔助功能,協(xié)同操作實(shí)現(xiàn)輸送帶抓取的穩(wěn)定運(yùn)行。觸摸屏是人機(jī)交互系統(tǒng),將系統(tǒng)速度、位置、工作過程狀態(tài)和其他信號傳輸?shù)絇LC。PLC作為本系統(tǒng)的控制核心,對每種類型的信號進(jìn)行分析和計(jì)算。作為系統(tǒng)的機(jī)械臂,拉取/抓取/壓固伺服驅(qū)動器可以接收和處理由PLC傳輸?shù)拿}沖信號,并將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備的速度、動態(tài)和位置。在編碼器的幫助下,可準(zhǔn)確地監(jiān)視和反饋由傳送帶捕獲的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)。
圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖
1)PLC選取。根據(jù)1.2中的控制器和調(diào)節(jié)方式選擇分析,為提高控制系統(tǒng)的控制性能,此次使用Inovance系列AM620中型PLC來充當(dāng)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的控制核心。InovanceAM620中型PLC具有體積小、高度擬合的系統(tǒng)配置及強(qiáng)大的功能的特性,滿足對疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取運(yùn)行中所需的所有數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯計(jì)算的規(guī)劃。
2)傳感器選取。自動化設(shè)備不能脫離傳感器的配合,并需要多種傳感器之間相互配合才能保證疊焊機(jī)安全、穩(wěn)定、高效地完成疊焊機(jī)控制檢測,主要有光電式傳感器、電磁式傳感器、光幕傳感器、限位開關(guān)等。在疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取系統(tǒng)中,光電傳感器通過紅外線判斷夾爪、壓固、抓取等的位置情況,電磁式傳感器用來檢測氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)信號及電磁閥是否吸合,光幕傳感器用來提高設(shè)備安全防護(hù),防止設(shè)備在運(yùn)行時(shí)有人靠近設(shè)備,保證各個機(jī)構(gòu)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行[5]。
3)人機(jī)交互系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用嵌入式一體化觸摸屏作為運(yùn)帶抓取的人機(jī)交互系統(tǒng),完成操作者與設(shè)備之間的溝通,大大降低了設(shè)備的操作難度。操作人員不需要對設(shè)備有很深的了解,只需用手指控制觸摸屏即可得到運(yùn)行效果,運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反映在觸摸屏上,具有簡單、便捷、分辨率高等特點(diǎn)。
4)伺服系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)使用伺服電機(jī)驅(qū)動放料、拉取、抓取Y和Z四個軸,并使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動壓固。從而確保系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)各個機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào),同時(shí)配以SV635N伺服驅(qū)動器,可實(shí)現(xiàn)位置/速度控制、速度/轉(zhuǎn)矩控制、位置/轉(zhuǎn)矩控制三者控制方式的切換,大大提高其控制精度和適用范圍,使其不僅可用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究等精度要求穩(wěn)定的地方,在對速度和張力控制有要求的場合也可以使用。
在實(shí)現(xiàn)疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的精準(zhǔn)控制要求時(shí),合理的電氣控制圖設(shè)計(jì)也是一個非常重要環(huán)節(jié),如圖4所示為主電路圖。本設(shè)計(jì)使用了五臺伺服電機(jī),分別驅(qū)動放料、拉取、壓固、抓取Y、抓取Z的軸運(yùn)行,壓固由傳統(tǒng)的固定壓固轉(zhuǎn)換為以電機(jī)和氣缸的運(yùn)動,大大降低設(shè)備的運(yùn)行成本。
圖4 主電路圖
本設(shè)計(jì)將PLC作為設(shè)備的控制核心,通過掃描的運(yùn)作方式來執(zhí)行程序,利用PLC規(guī)劃疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取運(yùn)行中所需的全部數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯計(jì)算等問題,通過運(yùn)帶控制模塊實(shí)現(xiàn)對疊焊機(jī)的伺服電機(jī)的控制。同時(shí),PLC中的IO模塊實(shí)時(shí)檢測疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取的運(yùn)動狀態(tài)并反饋給觸摸屏,使操作員能夠更好地了解運(yùn)帶抓取的運(yùn)行信息,從而保證設(shè)備在生產(chǎn)過程中能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多樣性功能,除了在上位機(jī)上開發(fā)出配套的工序切換程序,還需搭配不同功能的末端執(zhí)行器,將設(shè)備運(yùn)行過程中電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,進(jìn)而完成控制,保證設(shè)備的正常運(yùn)行??刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示,利用觸摸屏、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)等裝置建立流程圖中的工作流程。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí),首先進(jìn)入初始化程序運(yùn)行部分所需的參數(shù)數(shù)據(jù),與此同時(shí)ABS掃描讀取伺服電機(jī)的即時(shí)數(shù)據(jù),若是讀取失敗將會延長讀取時(shí)間,若延長時(shí)間后仍然無法讀取數(shù)據(jù),將結(jié)果反饋至人機(jī)交互系統(tǒng)由人工處理。
圖6 控制系統(tǒng)主程序流程圖
觸摸屏界面作為一種人機(jī)交互平臺,承擔(dān)了操作者與設(shè)備之間溝通的任務(wù),大大降低了設(shè)備的操作難度。本設(shè)計(jì)的觸摸屏界面包括主界面、手動界面、參數(shù)界面、報(bào)警界面及光幕界面,圖7(a)為觸摸屏主界面圖,圖7(b)為觸摸屏手動界面圖。上電后,等待觸摸屏出現(xiàn)主界面,點(diǎn)擊各界面按鈕,就會自動跳到相應(yīng)的界面。當(dāng)設(shè)備組裝好后,通過手動界面對設(shè)備進(jìn)行手動I/O對點(diǎn)及進(jìn)行傳感器的手動試驗(yàn),完成伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)點(diǎn)動,保證電機(jī)的正常使用。
圖7 觸摸屏界面
隨著疊焊機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,仿真與試驗(yàn)已成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)工作中必不可少的驗(yàn)證手段,通過仿真檢查設(shè)備的性能是否完好,是否存在錯誤和問題,提高研發(fā)效率,減少設(shè)備的損失。
疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取的軟件仿真是在無電情況下,利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態(tài)建立計(jì)算機(jī)和物體的虛擬模型來進(jìn)行觸摸屏與程序的離線仿真,仿真界面圖如圖8所示。
圖8 仿真界面圖
經(jīng)過仿真調(diào)試后,設(shè)備是否能通電實(shí)際運(yùn)行,是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。在對電路各部分元器件組裝檢查無誤和電路連接檢查確認(rèn)良好后進(jìn)行上電運(yùn)行,實(shí)際拉取運(yùn)行圖如圖9所示。利用觸摸屏檢測匯流條的備料周期,由自動程序中的計(jì)時(shí)器在前壓抬起時(shí)開始計(jì)時(shí),到夾爪回起始位,周期時(shí)間為9.8 s。觸摸屏實(shí)際監(jiān)控圖如圖10所示。
圖9 實(shí)際拉取運(yùn)行圖
圖10 觸摸屏實(shí)際監(jiān)控圖
在疊焊機(jī)的運(yùn)帶抓取運(yùn)行中,拉取焊帶的長度由于各種因素而造成誤差,對疊焊的光伏組件質(zhì)量有一定影響。因此,降低設(shè)備拉取焊帶的長度誤差有很大意義。本設(shè)計(jì)提出一種拉伸比的設(shè)計(jì)方案來降低誤差。拉取運(yùn)行距離(X)為:
式中:L為拉取長度設(shè)置值;R%為拉伸比;r為補(bǔ)差值。根據(jù)方案,測量在不同拉伸比值的數(shù)值如表1所示。由表中數(shù)值可以驗(yàn)證,備料周期在10 s之內(nèi),拉伸比能夠降低誤差在1 mm以內(nèi)。如圖11所示是拉伸比為1%、1.5%、2%時(shí)的測量值曲線圖。當(dāng)拉伸比為一定時(shí),隨著拉取長度的增大誤差值也會增大;當(dāng)拉取長度一定時(shí),隨著拉伸比的增大誤差值隨之減小。
表1 拉取長度測量數(shù)據(jù)表
圖11 曲線圖
本設(shè)計(jì)以提高焊帶長度拉取和減少備料周期為目的,根據(jù)實(shí)際要求,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面,設(shè)計(jì)了一種基于PLC的疊焊機(jī)運(yùn)帶抓取控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以匯川AM600中型PLC為控制核心,利用光電式傳感器和電磁式傳感器進(jìn)行位置檢測,實(shí)現(xiàn)拉取焊帶長度的精準(zhǔn)定位;根據(jù)光幕傳感器檢測是否有人靠近設(shè)備,從而提高了設(shè)備安全性。本系統(tǒng)采用梯形圖語言編寫控制程序,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制運(yùn)行。利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態(tài)建立仿真,通過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通過觸摸屏狀態(tài)監(jiān)控等功能,進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明,拉伸比能將拉取焊帶的誤差降到1 mm以內(nèi)以及備料周期控制在10 s之內(nèi)。