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(shè)計要考慮功能性及自動化水平,保證產(chǎn)品滿足實際需求[1]。機械手在冶金、制造、電力、化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛,技術(shù)復(fù)雜度較高,需借助計算機自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)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(chǎn)機械手設(shè)計主要包括倉儲配置管理與溫濕度控制兩部分,生產(chǎn)線倉儲配置利用機械手系統(tǒng)抓取光伏電池片組件,在物料架中堆放,完成循環(huán)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(chǎn)線中,每套電池片組件物料層的整體框架結(jié)構(gòu)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(tǒng)在傳輸路徑及所處目標位經(jīng)空間坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖方波指令,保證此指令被機械手成功識別,經(jīng)Profinet網(wǎng)絡(luò)通信被伺服電機驅(qū)動器接收控制指令,伺服電機編碼器向計算機控制系統(tǒng)反饋實際所在位信號,從而達到半閉環(huán)控制的目標[4]。

本研究對光伏組件自動化生產(chǎn)工藝進行機械設(shè)計優(yōu)化,以機械手為研究對象,以光伏組件生產(chǎn)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(chǎn)線自動化程度,確保工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

1 自動化機械手系統(tǒng)設(shè)計

裝配線機械手可進一步拓展并延伸人類生產(chǎn)活動,代替人工進行危險環(huán)境下的裝配作業(yè),降低人工裝配的安全風(fēng)險及事故發(fā)生率,提高工作效率及生產(chǎn)質(zhì)量。自動化機械手憑借自身優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用于飛機制造、汽車制造、通用制造等領(lǐng)域。

1.1 主要性能指標

光伏組件自動化生產(chǎn)線機械手設(shè)計應(yīng)明確主要技術(shù)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(zhuǎn),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(huán)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(shè)計

1.2.1 機械部分

光伏組件系統(tǒng)設(shè)計主要包括機械與電控兩部分。機械部分為旋轉(zhuǎn)基座、三段臂、氣爪,常用鋁材為旋轉(zhuǎn)基座,保證其達到180°旋轉(zhuǎn),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(chǎn)線規(guī)模、成本為依據(jù)進行適當調(diào)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(tǒng)所用驅(qū)動電機尺寸大小,分別設(shè)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(tǒng)可經(jīng)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(tǒng)、可編輯邏輯控制器、組態(tài)王控制軟件、光線傳感器等。選用MSD5A1A1X型號自動化生產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)作為三段臂及旋轉(zhuǎn)機座的驅(qū)動組件,組態(tài)王負責控制機械手操作系統(tǒng)。根據(jù)光伏組件生產(chǎn)作業(yè)與生產(chǎn)線規(guī)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(tǒng)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(xiàn)場級電氣儀表自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中,電氣設(shè)備的現(xiàn)場運行包括執(zhí)行、測量儀表及伺服機構(gòu),在設(shè)備運行中需直接控制電氣設(shè)備生產(chǎn)過程,采集并成功轉(zhuǎn)換測量信號,當遇到上位機系統(tǒng)故障時,應(yīng)進行緊急操作處理。選用S7-300PLC設(shè)備,經(jīng)現(xiàn)場通信Profibus總線實時采集過程類信號,經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)達到上位機數(shù)據(jù)通信要求,滿足系統(tǒng)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(jiān)控級電氣設(shè)備及儀表自動化控制中,經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)及控制計算機實現(xiàn)監(jiān)控功能。在高爐電氣設(shè)備及儀表控制中,通過監(jiān)控級設(shè)計滿足設(shè)備監(jiān)控操作要求,在工業(yè)控制計算機下級系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)信號的接收、采集、存儲,顯示監(jiān)控設(shè)備及儀表運行情況。模擬設(shè)計了69個輸入端口,24個輸出端口[8]?？紤]到存在余量,設(shè)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(shè)計

1.3.1 機械臂設(shè)計

機械臂設(shè)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(chǎn)線選用鋁材為機械臂原料,根據(jù)相應(yīng)比例調(diào)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(jīng)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(shè)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(yīng)經(jīng)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(fā)揮小體積、大輸出力矩的優(yōu)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(chǎn)所需的差異化力矩,可利用不同齒輪數(shù)量的同步帶、同步輪配合,有效傳遞機械臂力矩。三段臂齒數(shù)需結(jié)合生產(chǎn)實際進行針對性調(diào)整。

圖1 機械臂連接軸結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical arm connecting shaft structure

1.3.2 氣爪動作

光伏組件生產(chǎn)中,氣爪運行的安全可靠與機械手的運行工效及生產(chǎn)質(zhì)量密切相關(guān),故在設(shè)計氣源氣動管路及具體動作時,應(yīng)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(lián)件原本在空氣過濾器、減壓閥、油霧器中運作,設(shè)計體積較小,可用于小規(guī)模自動化配套設(shè)備,降低安裝難度,保證鋁合金控制的安全穩(wěn)定性。應(yīng)用氣源三聯(lián)件的氣爪動作要保證在空氣壓縮機停止自運作狀態(tài)下,可自啟動排水程序,提升組件靈敏度。

1.3.3 轉(zhuǎn)盤設(shè)計

機械手系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤設(shè)計需采用高強度、小體積、輕質(zhì)量的鋁材料,減小轉(zhuǎn)盤重量對加工過程的影響。考慮到轉(zhuǎn)盤設(shè)計在上方三段臂有較大的重量,為保證整體生產(chǎn)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(qū)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(zhuǎn)盤的平穩(wěn)運作。

2 光伏組件自動化控制軟件系統(tǒng)

選用STEP7編程軟件作為用于PLC組態(tài)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(wǎng)絡(luò)組態(tài)、符號編輯器及診斷等。根據(jù)軟件包的硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)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(jù)實際工作需要創(chuàng)建自動化解決方案(見圖2)。

圖2 項目創(chuàng)建流程Fig.2 Project creation process

該項目創(chuàng)建主要用于自動化控制具體任務(wù)的解決操作方案存儲,設(shè)計最終生成相應(yīng)的操作程序及相關(guān)數(shù)據(jù),主要包括硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)模板參數(shù)及組態(tài)數(shù)據(jù),設(shè)計網(wǎng)絡(luò)組態(tài)數(shù)據(jù)及相關(guān)編程,均在同一項目中收集。在創(chuàng)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(tǒng)功能,雙擊硬件組態(tài),啟動相應(yīng)程序。對于硬件存儲推出組態(tài),可各自生成組態(tài)相應(yīng)的可編程功能模板,成功生成能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程功能模塊的自定義通信連接表及相應(yīng)的操作程序。在成功完成硬件組態(tài)后生成模塊編程軟件,在相應(yīng)的對象文件夾內(nèi)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(jù)自動化控制功能需要選擇想要生成的數(shù)據(jù)塊、功能塊等,成功創(chuàng)建一個空白塊之后,設(shè)計相應(yīng)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(tǒng)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(chǎn)線自動化控制中,經(jīng)過不同觸點復(fù)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(chǎn)線各設(shè)備儀表參數(shù)流動情況的實時追蹤。在此PLC功能軟件應(yīng)用中,語句表是更易理解的文本表達,類似于機器碼,可根據(jù)原定步驟指令執(zhí)行相應(yīng)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(xiàn),主要經(jīng)布爾代數(shù)邏輯框加以表示。

通過執(zhí)行光伏組件自動化生產(chǎn)線機械手控制系統(tǒng)實現(xiàn)了各類系統(tǒng)功能,定義了數(shù)據(jù)等多個子程序模塊,簡化了人工操作,經(jīng)程序劃分簡單模塊,執(zhí)行特定功能,提高了光伏組件自動化生產(chǎn)質(zhì)量及工效,減少了成本投入。

3 結(jié)束語

對光伏組件自動化生產(chǎn)線進行研究,以機械手控制系統(tǒng)為研究對象,從硬件、軟件兩部分入手設(shè)計機械手,確定了硬件設(shè)備設(shè)計中的主要性能指標,以完成機械及電控、機械臂、氣爪、轉(zhuǎn)盤等設(shè)計。對計算機軟件控制系統(tǒng)進行說明,實現(xiàn)自動化創(chuàng)建項目運作流程,充分提升光伏組件的自動化生產(chǎn)效率,減少成本投入,提升企業(yè)經(jīng)濟效益。