王 磊，吳孫陽，王春成，秦以江

(阜寧協(xié)鑫集成科技有限公司, 江蘇 阜寧 224400)

0 引言

制造業(yè)尤其是新興產(chǎn)業(yè)在自動化流水線應用方面走在技術前列[1]。在自動化流水線生產(chǎn)過程中條形碼結合信息技術實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)過程的可視化、數(shù)據(jù)化和實時可控[2]，在零配件、組裝、運輸、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟等產(chǎn)業(yè)應用及其廣泛[3-4]。

目前，國內制造型企業(yè)在自動化流水線關于條形碼的應用取得了長足進展，學者專家在該方面做出了重大貢獻：王燁青等[5]采用高速CCD攝像機(Charge Coupled Device, 電荷耦合器件)條形碼進行拍照并二次圖像處理，實現(xiàn)條形碼讀取精確；劉希[6]設計一種多條形碼識別系統(tǒng)，實現(xiàn)一個數(shù)字圖片中多個條形碼的定位識別；廖文睛等[7]引入HOG和SVM條形碼圖像識別方式提高條形碼圖像的定位效率和識別成功率。上述學者對條形碼進行研究中多采用信息化技術提升條形碼的存儲和識別能力，流水線作業(yè)過程中如何便捷放置條形碼沒有過多研究。

本文設計的光伏組件自動化流水線自動條碼裝置是一種通過裁切設備、打印裝置結合制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)形成的組合式裝置，技術人員預先設定條形碼順序規(guī)則，通過MES系統(tǒng)傳遞到打印機上，打印機完成打印后，伺服機構驅動機械臂進行X、Y、Z軸進行運動，機械臂上的夾鉗通過氣缸橫向抓取條形碼，通過氣缸驅動機械尾部的切刀切斷條形碼與條形碼之間的連接，夾鉗帶動條形碼放置到指定位置。

1 條形碼使用現(xiàn)狀分析

1.1 條形碼使用現(xiàn)狀

光伏組件生產(chǎn)過程中會使用一種碳帶打印的條碼，該條碼尺寸為50 mm×12 mm，一般采用米亞銀聚脂薄膜材質，用于標識組件訂單序號和產(chǎn)品生產(chǎn)時間等信息，通過條碼掃描能夠準確識別光伏組件生產(chǎn)時間、制程中使用的電池片、玻璃、邊框、接線盒等材料信息，同時能夠識別組件生產(chǎn)過程中EL(Electroluminescent，電致發(fā)光)測試及IV測試顯示數(shù)據(jù)，對光伏組件生產(chǎn)過程中的管控和MES數(shù)據(jù)信息對接具有較大作用[8]。

1.2 光伏組件條形碼安裝區(qū)域分析

光伏組件生產(chǎn)過程包含從玻璃上料、串焊機、自動排版、自動焊接、自動疊層、外觀檢測、層壓、裝框、清洗、測試與分檔。條形碼放置主要集中在串焊機、自動排版到自動疊層焊接3個工位之間。串焊機在電池串焊接完成后，經(jīng)過掃碼的條形碼放置在電池串中運輸?shù)脚虐鏅C中進行電池串排版作業(yè)。常規(guī)組件的條形碼有2個：一個位于光伏組件玻璃面右上角處，主要便于在組件流轉過程中確認過站信息，在自動焊接崗位中疊層焊接機作業(yè)后人工進行放置條形碼；另一個位于光伏組件背面(根據(jù)產(chǎn)品不同分為單玻和雙玻組件，單玻組件背面是背板，雙玻組件背面是玻璃)，位置根據(jù)各企業(yè)特點放置差異較為明顯，在自動疊層后，人工根據(jù)客戶要求進行放置條形碼。從安裝區(qū)域分析，條形碼形成到安裝完成主要在串焊機、自動焊接、自動疊層3個工序，其中自動焊接和自動疊層均為一對一人工作業(yè)，不存在條形碼錯放及漏放現(xiàn)象，在串焊機處，存在一對多作業(yè)，存在錯放及漏放問題。因此本文重點解決串焊機處條形碼打印、掃碼及放置問題。

2 自動條碼裝置整體設計思路

自動條碼裝置應具備的特點：X、Y、Z方向可以通過氣動或者電動設備帶動不間斷作業(yè)；設計裝置簡單易行，減少對流水線的運行影響；裝置連接MES系統(tǒng)，確保條形碼輸出準確。在進行自動條碼裝置設計過程中需要考慮結構的設計、氣缸的選擇、氣動元件的選擇、電器元件的選擇、吸盤力計算與控制、打印機選擇。

2.1 自動條碼裝置結構設計

設計的自動條碼裝置一種直角坐標系式使用的裝置結構[9]，主要作用是通過MES系統(tǒng)確定的條碼規(guī)則，使用碳帶在打印機中把條碼信息打印完成，打印完成后通過拍照回傳條碼信息到MES系統(tǒng)中，核對條碼信息；信息核對完成無誤后，切刀在氣動裝置驅動下，裁切條碼；傳輸帶通過氣動裝置把吸盤移動到條碼處，吸盤抓取條碼；通過傳輸帶移動到條碼裝置區(qū)域，松開吸盤，條碼自動掉落到光伏組件上；傳輸帶通過氣動裝置進行，歸位原點。整體作業(yè)方式如圖1所示。

圖1 自動條碼裝置作業(yè)流程圖

2.2 自動條碼裝置氣缸選擇

光伏組件車間為提高設備使用安全和降低使用成本，主要的設備均以用氣為主，因此車間內各工序均實現(xiàn)了氣管連接。本次使用的自動條碼裝置的吸盤和步進裝置使用氣缸驅動，氣缸驅動降低能耗的同時能夠避免用電風險。根據(jù)氣缸的行程和用氣量[10]，本裝置氣缸的工作環(huán)境為25±5 ℃，工作負載20 kg，工作壓強在0.1～0.5 MPa之間，氣缸的行程≤200 mm，要求氣缸作業(yè)時間<1 s，負載率按照0.4計算，計算得到缸體直徑D=46.09 mm，因此選擇缸體直徑為50 mm，最大行程為200 mm，查閱目前公司主要采用的是亞德客氣缸，因此選用亞德客HFZ-20型號。

2.3 自動條碼裝置氣動元件的選擇

本裝置使用的空氣壓縮機、電磁換向閥、吸盤等使用的品牌和型號如表1所示。

表1 主要氣動元件廠家選擇

2.4 自動條碼裝置電氣元件的選擇

根據(jù)裁切機械手每個部位和運輸所需要的實際扭矩大小來確定電氣元件的參數(shù)需求，元器件的品牌、型號需求如表2所示。

表2 主要電氣元件廠家選擇

2.5 自動條碼裝置吸盤吸力計算與控制

2.6 自動條碼裝置打印機的選擇

每英寸點數(shù)[12](Dots Per Inch,DPI)是打印機選擇的主要參數(shù)，DPI越低，掃描的清晰度越低；DPI越高，占用存儲空間越大，傳輸效率越低。光伏組件生產(chǎn)過程中條碼打印機要求DPI不得低于300，個別客戶要求DPI達到600。斑馬ZT610-600系列工業(yè)打印機能夠滿足24 h不間斷無故障打印及精度要求，同時實現(xiàn)與MES信息互聯(lián)。

3 自動條碼裝置控制技術點

把自動條碼裝置通過傳輸帶運送到條碼打印機旁，MES系統(tǒng)反饋信號給條碼打印機，條碼打印機打印一串條碼(根據(jù)客戶需求打印，正常為1次3個相同條碼)，打印出條碼后，通過拍照系統(tǒng)回傳條碼信息到MES系統(tǒng)，與打印要求核對一致后，機械手抓取條碼，切刀把條碼串裁切完成，吸盤把機械手的條碼吸起，通過傳輸帶作業(yè)到組件上，松開吸盤，條碼串落在組件上，組件流轉出去，進行下一道工序繼續(xù)作業(yè)。具體要求如下：

(1)X、Y、Z軸移動情況說明：X、Y軸方向通過皮帶導軌進行作業(yè)完成，兩個方向都是依賴于可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller, PLC)脈沖輸入信號控制功能驅動伺服放大器控制伺服機構準確實現(xiàn)，Z軸通過氣缸氣壓差實現(xiàn)上下運動。

(2)變頻調速：整個作業(yè)過程為了減少速度不穩(wěn)定帶來的作業(yè)誤差，采用變頻器進行控制步進速度，變頻器能夠實現(xiàn)精準的速度控制，以便于自動條碼裝置能夠實現(xiàn)前、左、上，后、右、下。

(3)自動循環(huán)作業(yè)：在MES系統(tǒng)對接條碼打印機后，由MES傳遞打印數(shù)據(jù)信號給斑馬打印機，打印機按照設定進行作業(yè)，自動裝置按照編程進行抓取作業(yè)，直到整個工作完成，然后自動進行下一次的作業(yè)。

4 結論

以自動化結合信息化實現(xiàn)條碼打印自動抓取，設計一種自動打印、裁切和放置的自動條碼裝置，為組件企業(yè)實施自動化與智能化提供了較好的根基。該裝置在實踐使用過程中證實：采用MES、PLC控制和伺服控制技術來實現(xiàn)條碼打印裝置自動對接系統(tǒng)、裁切與安裝自動化，通過變頻控制器實現(xiàn)裝置步進過程中平穩(wěn)性，最終實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，避免人員打印及放置條碼導致的作業(yè)失誤及安全風險，提升車間生產(chǎn)連貫性，實現(xiàn)車間效率提升。