基于PLC的新型太陽(yáng)能電池板用超聲波焊接機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 周 晶 □ 江 新 □ 徐東建

1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 廣東東莞 523808

2.東莞三星電機(jī)有限公司 廣東東莞 523413

3.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 武漢 430073

超聲波焊接是太陽(yáng)能電池板加工過(guò)程中的一道必要工序，采用全自動(dòng)控制的新型焊接機(jī)，作業(yè)精度高，穩(wěn)定性好，作業(yè)效率提升4倍［1］。其控制系統(tǒng)使用西門子S7300系列的PLC［2］，將機(jī)械設(shè)備由半自動(dòng)操作改為全自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠、高效、高精度的焊接。通過(guò)定位準(zhǔn)確的步進(jìn)電機(jī)控制焊接機(jī)的運(yùn)動(dòng)，既降低了系統(tǒng)成本，又保證了系統(tǒng)精度。同時(shí)，該系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留了空間，能夠滿足多種用戶的需求。

1 電池板焊接機(jī)概述

太陽(yáng)能電池板用超聲波焊接機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼膠、自動(dòng)貼鋁帶、自動(dòng)焊接鋁帶3個(gè)功能。

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，焊接機(jī)主要由5個(gè)部分組成，如圖1所示。其中鋁帶焊接裝置是工藝流程中最重要的環(huán)節(jié)，位于貼鋁帶裝置后續(xù)操作區(qū)域，由兩個(gè)相同的焊接機(jī)組成，分別位于后段太陽(yáng)能電池板傳送系統(tǒng)的兩側(cè)。在電池板的短邊需要焊接鋁帶的位置都必須先貼上雙面膠，再貼鋁帶，最后焊接。各工藝間采用傳送裝置輸送電池板，機(jī)架是整臺(tái)設(shè)備的基礎(chǔ)，支撐焊接機(jī)的全部零部件。

2 電池板焊接機(jī)的控制流程

▲圖1 太陽(yáng)能電池焊接機(jī)組成圖

焊接機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)，由PLC完成現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的采集與執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的流程如圖2所示。

▲圖2 控制系統(tǒng)流程圖

3 PLC的控制部分設(shè)計(jì)

3.1 PLC的輸入與輸出端子

控制系統(tǒng)選用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列的CPU-315。以貼膠模塊為例，為了提高工作效率，在電池板的兩個(gè)短邊配備兩個(gè)貼膠機(jī)，設(shè)備工作時(shí)，兩邊能同時(shí)開始貼膠，因此需要在2個(gè)貼膠機(jī)上升位和下降位、前進(jìn)位和后退位配置檢測(cè)開關(guān)，精確定位貼膠機(jī)的位置。同時(shí)，電池板的長(zhǎng)邊配置4個(gè)檢測(cè)開關(guān)，確定電池板的傳送位置。按照控制系統(tǒng)的要求，PLC的I/O分配見表1。

表1 貼膠模塊I/O接口圖

3.2 控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備用以產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，主要控制貼膠機(jī)構(gòu)、割刀移動(dòng)、超聲波焊接機(jī)、電池板傳送定位開關(guān)等。

輸出設(shè)備是由PLC輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件，包括伺服電機(jī)、工作狀態(tài)指示燈。

3.3 PLC控制程序模塊

系統(tǒng)要求提供多種工作模式，因此，程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于采用合適的方法解決多選擇的控制［3］。

①設(shè)置模塊。將各種操作方式轉(zhuǎn)化為基本工作模塊，組合各種工作模塊的基本動(dòng)作，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。采用模塊化的方式有利于焊接機(jī)其它功能的擴(kuò)展。

②基本動(dòng)作根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)，結(jié)合傳感器的信號(hào)，完成焊接動(dòng)作。

設(shè)備的控制程序分為主程序、子程序和中斷程序，出于可靠性考慮，對(duì)于有安全要求的地方使用外接繼電器和開關(guān)，其余用PLC內(nèi)部繼電器。部分?jǐn)?shù)字量的輸入和程序監(jiān)控采用觸摸屏，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。采用STEP 7編程軟件進(jìn)行程序梯形圖的編制。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

①貼膠部分。割膠的位置控制、切刀的起點(diǎn)和落點(diǎn)會(huì)影響之后貼鋁帶的位置，現(xiàn)采用伺服電機(jī)，通過(guò)電機(jī)編碼器確定位置變化，給出反饋信號(hào)，組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，再進(jìn)行調(diào)整。另外，若采用普通切刀，會(huì)出現(xiàn)拉膠現(xiàn)象，影響鋁帶的黏貼；改用鋸齒切刀后，可以一次性快速切斷膠帶。

②焊接部分。鋁帶焊接時(shí)，壓頭壓在預(yù)焊的鋁帶和鋁膜上滾動(dòng)前移，同時(shí)產(chǎn)生切向振動(dòng)將表面氧化物去掉，增大接觸面積，達(dá)到一定時(shí)間后使壓合在一起的鋁帶和鋁膜焊接。焊接時(shí)間很短，約1 s左右，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或振動(dòng)過(guò)大都會(huì)使焊接強(qiáng)度下降［4］。

超聲焊接所需能量為：

式中：v為焊頭振速；t為焊接時(shí)間；A為焊頭的振幅，要根據(jù)焊件物性和尺寸選?。籪為超聲振動(dòng)頻率；μ為摩擦因數(shù)，取決于焊頭和焊件間表面狀態(tài)、焊件夾持的方法等；P為焊頭上所加的垂直壓力，取決于被焊材料的可流動(dòng)性極限，還與焊件材料的硬度、厚度及焊頭振幅大小有關(guān)。

另外，電池板長(zhǎng)邊和短邊的鋁帶匯流點(diǎn)易發(fā)生移位，改為多次點(diǎn)焊后，焊接性能大大改善，導(dǎo)電性增強(qiáng)。

4 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，使用西門子人機(jī)界面編輯軟件WinCCFlexible來(lái)設(shè)計(jì)觸摸屏。WinCCFlexible用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了對(duì)面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持，組態(tài)方式靈活多樣，使用方法簡(jiǎn)捷。

4.1 自動(dòng)控制部分

主要根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)焊接功能自動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)，以方便監(jiān)控。如圖3所示。如果需要調(diào)試運(yùn)行，可以把“半自動(dòng)運(yùn)行”按鈕按下變?yōu)榫G色，再按下所想要操作部位的按鈕，就進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行步進(jìn)與復(fù)位操作時(shí)，“半自動(dòng)運(yùn)行”按鈕是不需要按下的。

▲圖3 自動(dòng)模式界面

4.2 手動(dòng)模式

“手動(dòng)模式”畫面中包括了 “登錄畫面”、“初始畫面”、“手動(dòng)模式”、“自動(dòng)模式”等按鈕，按下可轉(zhuǎn)到相應(yīng)的操作畫面。以“貼膠手動(dòng)”為例，按下相應(yīng)的按鈕可對(duì)貼膠部位進(jìn)行手動(dòng)操作。

4.3 生產(chǎn)管理模式

設(shè)置了用戶管理界面（只能管理員進(jìn)入，能修改除管理員外的其它用戶名、口令、組和注銷時(shí)間）、伺服狀態(tài)界面（可顯示電機(jī)狀態(tài)）、報(bào)警信息界面、I/O狀態(tài)界面、參數(shù)調(diào)整界面（貼膠、貼鋁帶、傳送帶、1#和2#焊接機(jī)的參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置不同的值）。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以用于1 400 mm×1 100 mm規(guī)格的薄膜太陽(yáng)能電池板的鋁帶自動(dòng)焊接，玻璃厚度為3～6 mm，焊接速度小于2 min/塊。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，焊接的鋁帶導(dǎo)電性能好，符合廠家提出的要求，據(jù)廠家認(rèn)定，其性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。焊接機(jī)系統(tǒng)的投入使用，有效提高了公司薄膜太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)部門的生產(chǎn)效率，據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，每年節(jié)約成本約100萬(wàn)元。

［1］ 周晶，江新，徐東建，等.新型太陽(yáng)能電池板超聲波焊接機(jī)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造,2014（4）：65-66.

［2］ SIEMENS Ltd..SIMATIC S7-200 System Manual［Z］.2003.

［3］ 陳立定.電氣控制與可編程序控制器的原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］ 王賀石.超聲波在鋁箔焊接中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化,1996（3）.

［5］ 陳思忠，鄭偉成，都文華，等.鋁塑復(fù)合管的超聲金屬焊接［J］.應(yīng)用聲學(xué),2000（4）.