單建勇,陳 峰,洪哲成

(浙江金貝能源科技有限公司,杭州 311500)

機(jī)械設(shè)計(jì)要考慮功能性及自動(dòng)化水平,保證產(chǎn)品滿(mǎn)足實(shí)際需求[1]。機(jī)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(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理控制,完成整理、分析、運(yùn)算等工作[2]。

光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械手設(shè)計(jì)主要包括倉(cāng)儲(chǔ)配置管理與溫濕度控制兩部分,生產(chǎn)線(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)配置利用機(jī)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(yùn)作另一套機(jī)械手,成功抓取物料架中的組件向傳輸線(xiàn)輸送[3]。光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(jī)是其中的控制裝置及動(dòng)力裝置,負(fù)責(zé)控制機(jī)械手的具體操作,如縱向、橫向等動(dòng)作。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在傳輸路徑及所處目標(biāo)位經(jīng)空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖方波指令,保證此指令被機(jī)械手成功識(shí)別,經(jīng)Profinet網(wǎng)絡(luò)通信被伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收控制指令,伺服電機(jī)編碼器向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)際所在位信號(hào),從而達(dá)到半閉環(huán)控制的目標(biāo)[4]。

本研究對(duì)光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)工藝進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化,以機(jī)械手為研究對(duì)象,以光伏組件生產(chǎn)為切入點(diǎn),解決光伏組件易損及自動(dòng)存取難度大等問(wèn)題,以提升生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度,確保工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

1 自動(dòng)化機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配線(xiàn)機(jī)械手可進(jìn)一步拓展并延伸人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng),代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)環(huán)境下的裝配作業(yè),降低人工裝配的安全風(fēng)險(xiǎn)及事故發(fā)生率,提高工作效率及生產(chǎn)質(zhì)量。自動(dòng)化機(jī)械手憑借自身優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、汽車(chē)制造、通用制造等領(lǐng)域。

1.1 主要性能指標(biāo)

光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手設(shè)計(jì)應(yīng)明確主要技術(shù)指標(biāo)[5]:確定原點(diǎn)坐標(biāo)軸,x、y均為0 mm。確定x軸起始點(diǎn)為1400 mm,y軸起始點(diǎn)為2200 mm。確定機(jī)械手的伺服分辨率達(dá)到102 784脈沖/轉(zhuǎn),電子齒輪比PO3與PO4比值為40∶1。x軸橫動(dòng)2800 mm,y軸縱動(dòng)2400 mm,控制電池組件的物料框間隔為120 mm。機(jī)械精度指標(biāo)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(jī)械手滾輪周長(zhǎng)達(dá)到342.2 mm,減速箱齒輪比為1∶40,絲杠間距6 mm。

1.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)械部分

光伏組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械與電控兩部分。機(jī)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(dá)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(hào)時(shí),要以生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)模、成本為依據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,包括手指夾加工件、氣缸成品件。為降低機(jī)械部分的整體重量,需確保機(jī)械強(qiáng)度,三段臂選用鋁材,按照機(jī)械手系統(tǒng)所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)尺寸大小,分別設(shè)計(jì)三段臂的寬度、長(zhǎng)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(jī)械手系統(tǒng)可經(jīng)同步帶、同步輪、減速裝置進(jìn)行傳動(dòng)[6]。

1.2.2 電控部分

機(jī)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(xiàn)傳感器等。選用MSD5A1A1X型號(hào)自動(dòng)化生產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)作為三段臂及旋轉(zhuǎn)機(jī)座的驅(qū)動(dòng)組件,組態(tài)王負(fù)責(zé)控制機(jī)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(xiàn)規(guī)模自主選擇軟件型號(hào),修改后利用[7]。PLC控制元件是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心,選用FX2N-48MT型號(hào),用光線(xiàn)傳感器確定原點(diǎn)所在位置。

在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電氣儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,電氣設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行包括執(zhí)行、測(cè)量?jī)x表及伺服機(jī)構(gòu),在設(shè)備運(yùn)行中需直接控制電氣設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程,采集并成功轉(zhuǎn)換測(cè)量信號(hào),當(dāng)遇到上位機(jī)系統(tǒng)故障時(shí),應(yīng)進(jìn)行緊急操作處理。選用S7-300PLC設(shè)備,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)通信Profibus總線(xiàn)實(shí)時(shí)采集過(guò)程類(lèi)信號(hào),經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)達(dá)到上位機(jī)數(shù)據(jù)通信要求,滿(mǎn)足系統(tǒng)控制需求,可以部分滿(mǎn)足全自動(dòng)化功能,部分滿(mǎn)足半自動(dòng)化功能。

在監(jiān)控級(jí)電氣設(shè)備及儀表自動(dòng)化控制中,經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)及控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。在高爐電氣設(shè)備及儀表控制中,通過(guò)監(jiān)控級(jí)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)備監(jiān)控操作要求,在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)下級(jí)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)信號(hào)的接收、采集、存儲(chǔ),顯示監(jiān)控設(shè)備及儀表運(yùn)行情況。模擬設(shè)計(jì)了69個(gè)輸入端口,24個(gè)輸出端口[8]。考慮到存在余量,設(shè)計(jì)包含3個(gè)備用的9個(gè)輸入模擬量共72個(gè)端口,3個(gè)輸出模擬量的24個(gè)端口。

1.3 機(jī)械制造單元設(shè)計(jì)

1.3.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)選用鋁材為機(jī)械臂原料,根據(jù)相應(yīng)比例調(diào)整三段機(jī)械臂的外形尺寸。為進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械手的美觀(guān)性及可操作性,采用連軸不同段方式,將機(jī)械臂經(jīng)鍵、軸連接(見(jiàn)圖1)。機(jī)械臂作為主要的運(yùn)行工作組件,需合理設(shè)計(jì)機(jī)械臂力矩,保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行,對(duì)所連接的三段臂應(yīng)經(jīng)諧波齒輪減速器達(dá)到連接傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)力的重要組件,在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)揮小體積、大輸出力矩的優(yōu)勢(shì),便于在機(jī)械臂中直接安裝。要想使三段臂滿(mǎn)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(jī)械臂力矩。三段臂齒數(shù)需結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

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

1.3.2 氣爪動(dòng)作

光伏組件生產(chǎn)中,氣爪運(yùn)行的安全可靠與機(jī)械手的運(yùn)行工效及生產(chǎn)質(zhì)量密切相關(guān),故在設(shè)計(jì)氣源氣動(dòng)管路及具體動(dòng)作時(shí),應(yīng)保證氣爪動(dòng)作的合理性、可靠性。將減壓閥、壓力繼電器、空氣過(guò)濾器等合理安裝在管路中,保障氣爪的運(yùn)行安全。氣源三聯(lián)件原本在空氣過(guò)濾器、減壓閥、油霧器中運(yùn)作,設(shè)計(jì)體積較小,可用于小規(guī)模自動(dòng)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(dòng)作要保證在空氣壓縮機(jī)停止自運(yùn)作狀態(tài)下,可自啟動(dòng)排水程序,提升組件靈敏度。

1.3.3 轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)

機(jī)械手系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)需采用高強(qiáng)度、小體積、輕質(zhì)量的鋁材料,減小轉(zhuǎn)盤(pán)重量對(duì)加工過(guò)程的影響?？紤]到轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)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(dòng)馬達(dá)功率,在一定程度上增加馬達(dá)輸出力矩,保證機(jī)械手轉(zhuǎn)盤(pán)的平穩(wěn)運(yùn)作。

2 光伏組件自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)軟件包,提供所需的一系列工具,包括編程語(yǔ)言、SIMATIC管理器、硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、符號(hào)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(jī)械手自動(dòng)化控制中的直觀(guān)、簡(jiǎn)便、易修改,滿(mǎn)足在線(xiàn)編程、離線(xiàn)編程等操作,方便管理人員根據(jù)實(shí)際工作需要?jiǎng)?chuàng)建自動(dòng)化解決方案(見(jiàn)圖2)。

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

該項(xiàng)目創(chuàng)建主要用于自動(dòng)化控制具體任務(wù)的解決操作方案存儲(chǔ),設(shè)計(jì)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(jì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)數(shù)據(jù)及相關(guān)編程,均在同一項(xiàng)目中收集。在創(chuàng)建項(xiàng)目成功生成后插入站即可組件,組件過(guò)程需充分借助模板樣本來(lái)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(dòng)相應(yīng)程序。對(duì)于硬件存儲(chǔ)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(duì)象文件夾內(nèi)存儲(chǔ)可編程軟件,命名為S7-Program。該程序的子功能菜單能夠使用戶(hù)根據(jù)自動(dòng)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(gè)空白塊之后,設(shè)計(jì)相應(yīng)的語(yǔ)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(yǔ)言,包括LAD(梯形圖)、STL(語(yǔ)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(dá)方式,建立的語(yǔ)法指令類(lèi)似于繼電器的梯形邏輯。在光伏組件生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制中,經(jīng)過(guò)不同觸點(diǎn)復(fù)合元器件的電信號(hào)與信號(hào)輸出線(xiàn)圈可建立梯形圖,滿(mǎn)足人們對(duì)光伏組件生產(chǎn)線(xiàn)各設(shè)備儀表參數(shù)流動(dòng)情況的實(shí)時(shí)追蹤。在此PLC功能軟件應(yīng)用中,語(yǔ)句表是更易理解的文本表達(dá),類(lèi)似于機(jī)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(dá)該P(yáng)LC編程語(yǔ)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(guò)執(zhí)行光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)系統(tǒng)功能,定義了數(shù)據(jù)等多個(gè)子程序模塊,簡(jiǎn)化了人工操作,經(jīng)程序劃分簡(jiǎn)單模塊,執(zhí)行特定功能,提高了光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)質(zhì)量及工效,減少了成本投入。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)光伏組件自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行研究,以機(jī)械手控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,從硬件、軟件兩部分入手設(shè)計(jì)機(jī)械手,確定了硬件設(shè)備設(shè)計(jì)中的主要性能指標(biāo),以完成機(jī)械及電控、機(jī)械臂、氣爪、轉(zhuǎn)盤(pán)等設(shè)計(jì)。對(duì)計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化創(chuàng)建項(xiàng)目運(yùn)作流程,充分提升光伏組件的自動(dòng)化生產(chǎn)效率,減少成本投入,提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。