機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)在太陽能電池板固化系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓靈生，王虹斌，郝 源

HAN Ling-sheng, WANG Hong-bin, HAO Yuan

（北京科技大學(xué) 北京北科麥思科自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源的消耗日趨嚴(yán)重，人們對(duì)新能源的重視程度逐步提高。近些年，太陽能行業(yè)，作為新能源重要的組成部分，在國(guó)外強(qiáng)勁的市場(chǎng)拉動(dòng)和國(guó)內(nèi)政府推動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)下發(fā)展著實(shí)迅速，我國(guó)太陽電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)張，我國(guó)已經(jīng)成為全球太陽能電池第一生產(chǎn)大國(guó)，在全球太陽電池產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但總體來看，我國(guó)太陽能電池自主研發(fā)、生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平與發(fā)達(dá)國(guó)家有著較大的差距。

而太陽能電池板固化，與串焊、層壓、組框、檢測(cè)在生產(chǎn)線中同等重要，此前一直都自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等制約著生產(chǎn)效率，已經(jīng)不能滿足太陽能電池行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展的要求[1]。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人全自動(dòng)從固化室放置并取出太陽能板的固化系統(tǒng)，能夠滿足廠家對(duì)太陽板固化的生產(chǎn)效率的要求。

1 固化室控制系統(tǒng)

固化室的電氣控制系統(tǒng)以工控機(jī)為上位機(jī)，以PLC為核心，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過PROFIBUS總線與PLC進(jìn)行通信。固化室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)太陽能電池板在固化室中根據(jù)生產(chǎn)要求固化以后，PLC控制系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信來保證機(jī)器人本體正常有序的運(yùn)行。在固化室出、入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置中安裝了編碼器，并設(shè)計(jì)有編碼器和PLC之間的通信。并且還設(shè)計(jì)了工作臺(tái)中的電磁氣動(dòng)閥和PLC之間的通信。在PLC控制系統(tǒng)中，綜合考慮各方面的因素，選用功能比較完善的西門子PLC來完成該部分邏輯控制。它通過控制電磁氣動(dòng)閥來控制工作臺(tái)的動(dòng)作，并通過PROFIBUS總線與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。

圖1 固化室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本工作站采用西門子公司的PLC為主要控制裝置，其型號(hào)為：S7-300系列，包括CPU、供電電源、輸入輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊[2]。PLC的輸入模塊接收工作臺(tái)的信號(hào)，經(jīng)PLC運(yùn)算后，再把控制信號(hào)通過輸出模塊發(fā)送給工作臺(tái)執(zhí)行裝置（主要指氣動(dòng)裝置）；供電電源用來給PLC的提供24V電源來使PLC運(yùn)行。

1）出、入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置的電氣控制電路

出、入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置控的電氣控制主要是對(duì)出、入料口工作臺(tái)的自動(dòng)定位夾緊裝置電磁換向閥的控制，通過改變電磁換向閥的接通與否，從而改變氣路的方向，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。在工作臺(tái)自動(dòng)定位夾緊控制系統(tǒng)中，由于工作臺(tái)與控制柜的距離比較近，執(zhí)行裝置和檢測(cè)裝置與PLC的通信采用比較常用的硬線直接連接方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等。該部分控制系統(tǒng)的接線原理圖如圖2～圖5所示。

圖2 入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置PLC輸入模塊接線原理圖

圖3 入料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置PLC輸出模塊接線原理圖

圖4 出料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置PLC輸入模塊接線原理圖

圖5 出料口工作臺(tái)自動(dòng)定位裝置PLC輸出模塊接線原理圖

在圖中，P24和N24是24V的電源，電磁閥電路工作原理是當(dāng)PLC給繼電器信號(hào)時(shí)，繼電器吸合，線路通電，同時(shí)使相應(yīng)的電磁換向閥的線圈吸合，使電磁換向閥動(dòng)作，從而使相應(yīng)的氣動(dòng)元件動(dòng)作，是自動(dòng)定位裝置完成指定的動(dòng)作。而檢測(cè)信號(hào)和夾具夾緊之后的信號(hào)輸入輸入到PLC中，又通過PROFIBUS總線傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)，從而控制機(jī)器人和機(jī)器人機(jī)械手的相關(guān)動(dòng)作。

2）計(jì)數(shù)模塊接線示意圖

計(jì)數(shù)模塊接受物料入口處編碼器脈沖信號(hào)，用于測(cè)量太陽能電池板的尺寸。該部分的接線原理圖如圖6所示。

圖6 計(jì)數(shù)模塊接線示意圖

圖7 自動(dòng)控制流程圖

PLC通過STEP7軟件進(jìn)行編程，根據(jù)工作站的工作節(jié)拍和系統(tǒng)電氣原理，將定義好的變量通過梯形圖組織起來，制定變量間關(guān)系約束動(dòng)作。如圖7所示為PLC對(duì)機(jī)器人控制的程序流程圖。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目選用日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMAN ES0165D型機(jī)器人。包括機(jī)器人本體，機(jī)器人控制柜（YASKAWA DX100），示教編程器三部分及供電電纜如圖8所示[3]。

關(guān)于機(jī)器人本體主要特點(diǎn)有：采用的新型交流伺服電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高輸出、響應(yīng)快、高可靠 性等特點(diǎn)。因此，使機(jī)器人本體更緊湊、更靈活，同時(shí)，具有了更大的運(yùn)動(dòng)空間和更好的穩(wěn)定性，以及可以適應(yīng)各種姿態(tài)的卓越性能。

此外，若是把機(jī)器人固定在一個(gè)位置上，其工作區(qū)域很有限，不能滿足固化室的生產(chǎn)節(jié)拍要求，因此，為機(jī)器人配備了外部伺服電機(jī)，使機(jī)器人能在固化室中的滑臺(tái)上直線運(yùn)行，大大地?cái)U(kuò)大了其工作范圍，滿足了固化室的生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)提高了固化室的利用率。

關(guān)于機(jī)器人控制柜（DX100）主要特點(diǎn)有：

1）高級(jí)機(jī)器人動(dòng)作控制，諸如多軸復(fù)合系統(tǒng)控制、高精度軌跡控制、最佳加速減速控制、減震控制、軌跡恒定性控制、碰撞監(jiān)控等多種控制功能。

2）轉(zhuǎn)角高速作業(yè)精確控制，機(jī)器人的軌跡控制得到改進(jìn)，速度變化控制在最低范圍。

3）此外，還運(yùn)用了諸如快速接近以縮短空行程時(shí)間的最優(yōu)化功能。

示教編程器為6.5英寸彩色觸摸屏和按鍵兩種形式并存，屏幕有中英文 雙語顯示，并可快速切換，屏幕窗口顯示采用Windows界面，使編輯操作過程簡(jiǎn)單容易。

圖8 機(jī)器人本體示意圖

用機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須預(yù)先對(duì)機(jī)器人發(fā)出指示，規(guī)定機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)該完成的動(dòng)作和作業(yè)的具體內(nèi)容，這個(gè)過程就稱為對(duì)機(jī)器人的示教或?qū)C(jī)器人的編程[4]。對(duì)于機(jī)器人的示教方法我們有很多種，要想機(jī)器人按照我們的要求完成任務(wù)，就必須先對(duì)機(jī)器人賦予一定的信息，最重要的是機(jī)器人的相關(guān)動(dòng)作的完成次序的信息和外部信息協(xié)調(diào)的信息；其次是在和機(jī)器人工作時(shí)一些額外的條件信息；最后是機(jī)器人相關(guān)的位置和姿勢(shì)的信息。前兩個(gè)主要是和機(jī)器人要完成的工作和相關(guān)技術(shù)要求有關(guān)的，對(duì)于機(jī)器人的示教，主要是位置和姿勢(shì)的示教。

ES165D機(jī)器人系統(tǒng)是由本體6軸與一個(gè)外部軸組成。軸驅(qū)動(dòng)全部采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)接收DX100控制柜內(nèi)的控制器發(fā)出的指令，完成所需要的位置，角度，速度的控制要求。ES165D機(jī)器人系統(tǒng)用于搬運(yùn)和放置太陽能電池板。工作過程如下：

1）入料

控制器發(fā)出放置指令，機(jī)器人將入口太陽能電池板搬起，判斷板屜號(hào)及層數(shù)，行走到到指定的儲(chǔ)存架后，再將電池板放置好，輸出放置完成信號(hào)和位置板屜內(nèi)太陽能板信息。行走距離達(dá)到15米，工作范圍大。

2）出料

當(dāng)太陽能電池板固化達(dá)到要求后，控制器發(fā)出取出指令，機(jī)器人同樣判斷板屜號(hào)和層數(shù)，從指定的儲(chǔ)存架取出太陽能板，行走到出口位置，將太陽能板放置到出口輸送帶上，根據(jù)不同型號(hào)的電池板執(zhí)行刮膠處理。程序流程如圖9所示。

圖9 機(jī)器人程序流程圖

ES165D機(jī)器人選擇搬運(yùn)用途時(shí)，其重要參數(shù)已經(jīng)按此用途初始化。也使得工作的重點(diǎn)變?yōu)楦鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)機(jī)器人示教編程，再根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本課題中，機(jī)器人將399個(gè)位置信息存放于C寄存器中；將8個(gè)速度信息存放于I寄存器中，以便程序隨時(shí)調(diào)用。位置信息和速度信息都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行調(diào)試得出的。

3 搬運(yùn)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

固化室電池板搬運(yùn)系統(tǒng)主要由PLC、機(jī)器人及其相關(guān)氣動(dòng)系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，由于實(shí)際生產(chǎn)工作節(jié)拍對(duì)于機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的效率提出了較高的要求：首先要保證機(jī)器人放置電池板的位置準(zhǔn)確，按照工藝要求其誤差小于1cm。如果誤差大于1cm會(huì)影響大尺寸電池板的放置。其次確保機(jī)器人放入固化室一塊未固化的太陽能電池板并取出一塊固化好的太陽能電池板所需的時(shí)間在1分鐘之內(nèi)。所以我們就針對(duì)太陽板放置位置和出、入料時(shí)間為目標(biāo)，進(jìn)行機(jī)器人示教及調(diào)試。最終測(cè)得位置偏移量數(shù)據(jù)和出、入料時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)圖13的坐標(biāo)，以每個(gè)板屜中心為原點(diǎn)，測(cè)得電池板放置后的偏移量，本文列舉了第1、4、8、11、15、18號(hào)貨架的X軸偏移量和Y軸偏移量以作分析，如圖10、11所示。如表1和52所示的是19個(gè)貨架的第一層的入料時(shí)間T1，出料時(shí)間T2。

圖10 X軸偏移量曲線

圖11 Y軸偏移量曲線

如圖12所示，固化室貨架分兩排放置共19個(gè)貨架，每個(gè)貨架由上至下有21層；機(jī)器人腕部位于貨架第11層高度，并且機(jī)器人行走于兩排貨架中間。所以，入料時(shí)，機(jī)器人從入料口搬運(yùn)電池板至第11或12號(hào)貨架第一層的時(shí)間應(yīng)該最長(zhǎng)；出料時(shí)，機(jī)器人接著再將第1或19號(hào)第一層的電池板搬至出料口的時(shí)間應(yīng)該最長(zhǎng)。

表1 機(jī)器人執(zhí)行入料作業(yè)所需實(shí)際時(shí)間

表2 機(jī)器人執(zhí)行出料作業(yè)所需實(shí)際時(shí)間

圖12 固化室內(nèi)貨架及機(jī)器人滑軌位置示意圖

由圖10和11可以看出，最大誤差為7mm，出現(xiàn)在18號(hào)貨架第9層。小于10mm。表中未列出的貨架中，所有位置誤差都小于10mm。

由表1可以看出，第12號(hào)貨架第一層的入料時(shí)間最長(zhǎng)，為26.32s，設(shè)為T入max；由表2可以看出，第1號(hào)貨架第一層的出料時(shí)間最長(zhǎng)為23.92s，設(shè)為T出max。另外，機(jī)器人從12號(hào)貨架滑行至1號(hào)貨架的時(shí)間為7s（示教獲得），設(shè)為T行走。所以，出、入料最大周期Tmax=T入max+T出max+T行走=57.24s，小于一分鐘。

綜上所述，經(jīng)過對(duì)機(jī)器人的測(cè)試，機(jī)器人搬運(yùn)太陽能電池板系統(tǒng)完全符合位置要求生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

4 結(jié)論

本文將機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用于太陽能電池板固化系統(tǒng)當(dāng)中，解決了以往行業(yè)中自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等制約著生產(chǎn)效率的問題。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了誤差和節(jié)拍都符合工作要求，提高了生產(chǎn)效率，保證了電池板固化環(huán)節(jié)的性能穩(wěn)定，可以在太陽能電池固化系統(tǒng)中推廣使用。

[1]翟玉杰.極板固化室改用電加濕加熱的設(shè)計(jì)[J].蓄電池,1994,(2):7-8.

[2]師亞娟,劉欣.基于PLC的自動(dòng)化生產(chǎn)線三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013,(6):12-15.

[3]DX100使用說明書.安川電機(jī)(中國(guó))有限公司[Z].2010.

[4]DX100操作要領(lǐng)書·通用·搬運(yùn)用途.安川電機(jī)(中國(guó))有限公司[Z].2010.