SWZ系列自動(dòng)組框組角機(jī)設(shè)計(jì)

寧夏銀星能源光伏發(fā)電設(shè)備制造有限公司 ■ 張翔衛(wèi)

營(yíng)口金辰機(jī)械股份有限公司 ■ 李敦信

一 引言

光伏組件的邊框是支撐、固定組件的“骨架”，也是組件的重要組成部分。組框組角技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是合框鉚角，通過(guò)組框組角機(jī)將電池組件鑲嵌在鋁合金邊框的密封槽里，以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格下的標(biāo)準(zhǔn)模組。迄今為止，組件封裝有硅膠密封、膠條密封、熱熔膠(或發(fā)泡膠)密封三種工藝。而無(wú)論采取哪種密封工藝，均要求裝框后組件四個(gè)角的角分線嚴(yán)絲合縫，外形尺寸規(guī)方規(guī)角，型材上、下端面平整、光滑，鉚點(diǎn)分布均勻而深陷，與角件聯(lián)接處紋絲不動(dòng)。當(dāng)組件玻璃在型材密封槽固化后，達(dá)到良好的機(jī)械性能并滿足組件此后長(zhǎng)達(dá)25個(gè)春夏秋冬、風(fēng)雨侵襲等自然環(huán)境的考驗(yàn)。欲想滿足組件封裝工藝的要求，就必須有其相應(yīng)的配套設(shè)備。自動(dòng)組框組角機(jī)是集機(jī)械、電子、液壓和氣動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)為一體的專用設(shè)備，本文以SWZ系列自動(dòng)組框組角機(jī)部分典型機(jī)構(gòu)為剖析對(duì)象，介紹其傳動(dòng)機(jī)理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

二 組框組角機(jī)基本參數(shù)與性能指標(biāo)

最大組框規(guī)格：2000mm×1200mm；

最小組框規(guī)格：800mm×800mm；

適應(yīng)鋁邊框高度：35～50mm；

最大裝框時(shí)對(duì)角線對(duì)角線誤差：L=±1.0mm；

裝框完成后組件長(zhǎng)度和寬度誤差：≤1.0mm；

裝框完成后四角角度偏差：±0.5?；

邊框高度誤差：≤0.2mm；

45?角縫間隙：≤1.0mm；

生產(chǎn)效率(節(jié)拍)：≤35s/min。

三 組框組角工作原理

SWZ系列組框組角機(jī)外觀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)太陽(yáng)能電池組件從前一道工序通過(guò)傳輸帶輸送至前定位斜面輪時(shí)，組件停止前進(jìn)，此時(shí)規(guī)正機(jī)構(gòu)對(duì)組件進(jìn)行規(guī)正處理，使組件中心與設(shè)備中心相互重合，同時(shí)，中心升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)防隱裂頂升裝置將組件徐徐升起并迫使邊框脫離傳輸帶，于是，閃框機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的輸送帶1、2分別向圖1所示的右下方和左上方位移，致使組件外形尺寸恰好對(duì)應(yīng)其組框組角底板。當(dāng)防隱裂頂升裝置下落后，組件完全落座于組角底板上。長(zhǎng)邊活動(dòng)橫梁向圖示箭頭方向合框到位。兩組短邊橫梁分別向圖示箭頭方向運(yùn)動(dòng)，短邊合框到位。在長(zhǎng)、短邊框靜止?fàn)顟B(tài)下，邊框型材四角的組角油缸帶動(dòng)組角刀同步向型材內(nèi)角施加壓力。將型材腔內(nèi)角件與型材鉚接成一體。組框組角完成后，長(zhǎng)、短邊橫梁向箭頭相反方向位移10～20mm，組件再次頂起，輸送帶1、2位移使組件落入傳輸帶上并傳至下一工位。同時(shí)，下一塊組件進(jìn)入裝框機(jī)重復(fù)上述動(dòng)作過(guò)程。

四 組框組角機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)

組框組角機(jī)的機(jī)體屬焊合結(jié)構(gòu)件。實(shí)踐證明，機(jī)體在不同工況下的受力分析是設(shè)計(jì)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。具有高可靠性的組框組角機(jī)，無(wú)論是在使用過(guò)程中還是在運(yùn)輸過(guò)程中，都不應(yīng)產(chǎn)生變形。在設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)不同機(jī)體結(jié)構(gòu)的類比、分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，以試驗(yàn)結(jié)果評(píng)審設(shè)計(jì)方案，大大提高了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提升了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成功率。為了消除內(nèi)應(yīng)力的周期性釋放，我們對(duì)機(jī)體焊接后采取整體熱處理，徹底消除殘余應(yīng)力。為滿足整機(jī)運(yùn)動(dòng)靈活和運(yùn)動(dòng)精度，機(jī)體做到設(shè)計(jì)、工藝、裝配基準(zhǔn)三統(tǒng)一，使產(chǎn)品的裝框精度、鉚角受力后對(duì)角線精度等關(guān)鍵參數(shù)，均達(dá)到最佳。

五 組框機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

光伏組件的工藝要求決定組框組角機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，當(dāng)采用組框的同時(shí)實(shí)現(xiàn)組角工藝時(shí)（俗稱鉚角工藝)，其角件與型材腔為間隙配合，其預(yù)留間隙在0.2～0.5mm的控制范圍，長(zhǎng)、短邊的組框機(jī)構(gòu)軸向負(fù)載幾乎為零，此時(shí)機(jī)構(gòu)僅克服其運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。而采用非間隙角件與型材腔過(guò)盈配合裝框時(shí)(無(wú)需鉚角)，角件與型腔的過(guò)盈量一般控制在0.5～0.7mm(柱狀四鉚點(diǎn))范圍。設(shè)計(jì)時(shí)，其負(fù)載動(dòng)力的選擇范圍一般為9800～14000N。

SWZ系列組框機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)兼顧了過(guò)盈與非過(guò)盈型材兩種組框工藝，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)、短邊組框，組框負(fù)載力隨工藝條件的變化而自動(dòng)控制。

值得一提的是，該機(jī)組框時(shí)型材的受力面與施力點(diǎn)呈水平布局，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)完全避免了裝框時(shí)其反作用力而產(chǎn)生的組角板外傾變形的可能，大大提高合縫精度的可靠性。

此外，該機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)、短邊橫梁與機(jī)體加工平面呈平行狀態(tài)，其上端鋪設(shè)直線導(dǎo)軌，與組角板構(gòu)成同一基準(zhǔn)下的傳輸平面，使四組組角底板沿縱、橫方向同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)組件共面性要求，確保邊框四個(gè)90?角的控制精度，達(dá)到邊長(zhǎng)及對(duì)角線精度標(biāo)準(zhǔn)。

六 組角機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

SWZ系列組角機(jī)構(gòu)是采用整體底板為單元支撐平面，組角油缸安裝在底板滑道上，組角時(shí)油缸體沿滑道帶動(dòng)組角刀運(yùn)行，完成鉚角的往復(fù)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖3)。該機(jī)構(gòu)最大特點(diǎn)是，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了鉚角作用力作用于組角體自身的受力特點(diǎn)，鉚角時(shí)長(zhǎng)、短邊橫梁及其相對(duì)應(yīng)裝置不遭受鉚角力頻繁沖擊。

這種設(shè)計(jì)要點(diǎn)擺脫相關(guān)制件約束，為確保合框運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期反復(fù)位移狀態(tài)下，不降低組框鉚角精度等創(chuàng)造了必要條件。與此同時(shí)，組件不受組角機(jī)構(gòu)工作時(shí)所產(chǎn)生作用力變形影響，有效控制成品件廢品的產(chǎn)生。

當(dāng)采用非鉚角工藝時(shí)，可將組角刀拆下，切換工作狀態(tài)，便可進(jìn)入過(guò)盈角件的組框。

七 前定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

所謂前定位機(jī)構(gòu)，實(shí)際上是組件從上一工位傳輸至組框組角機(jī)終點(diǎn)時(shí)的限位機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大多采取“死定位”結(jié)構(gòu)，在組件換型時(shí)需反復(fù)調(diào)整，操作不便。該機(jī)的前定位機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種以斜面輪做定位，組件換型時(shí)無(wú)需調(diào)整，提高了定位精度和效率。

如圖4所示，當(dāng)組件傳輸至斜面輪時(shí)斜面輪在氣缸推動(dòng)下上移(圖示剖線位置)，此時(shí)，邊框與斜面輪為平行接觸。由設(shè)計(jì)決定斜面輪傾斜角θ2與斜支座傾斜角θ1相同，連接斜面輪的氣缸中心線垂直于斜支座。當(dāng)組件運(yùn)行至盡頭時(shí)，組件與組角板已預(yù)留足夠間隙，使組件可準(zhǔn)確無(wú)誤地落入組角底板實(shí)現(xiàn)組框組角。當(dāng)組框組角完成后，斜面輪回退。組件升起并從斜面輪的上方傳輸至下道工序。

八 組件換型狀態(tài)下的鎖緊機(jī)構(gòu)

國(guó)外一些專用型組框組角機(jī)一般只限定一種組件規(guī)格的生產(chǎn)，往往不能兼容各種組件規(guī)格，生產(chǎn)受限。而這類機(jī)型設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便并精度較高。其缺陷是不能兼容其他組件的生產(chǎn)，故利用率低。而近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)在線型組框組角機(jī)可生產(chǎn)(1300～2000mm)×(800～1200mm)范圍內(nèi)的組件規(guī)格。大大拓寬了設(shè)備的兼容性。然而，擺在設(shè)計(jì)者面前的課題是，在換型狀態(tài)下，其鎖緊機(jī)構(gòu)如何滿足高效切換、精準(zhǔn)定位的要求。

SWZ系列組框組角機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種快速機(jī)械切換組件規(guī)格的鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

鎖緊機(jī)構(gòu)安裝在長(zhǎng)、短邊橫梁支座的下方，與其連接成整體，鎖緊塊的上方設(shè)有氣缸，其活塞桿與活動(dòng)齒條相聯(lián)接(圖中未視出)，兩側(cè)的活動(dòng)導(dǎo)柱也與活動(dòng)齒條連成一體。鎖緊塊兩側(cè)分別設(shè)有兩組平行導(dǎo)柱，鎖緊塊兩端的微調(diào)定位螺柄安裝在橫梁支座上，只要旋動(dòng)微調(diào)手柄，鎖緊塊即可移動(dòng)。固定齒條安裝在機(jī)體上，與直線導(dǎo)軌共面并與活動(dòng)齒條平行。當(dāng)組件規(guī)格確認(rèn)后(長(zhǎng)、短邊工進(jìn)到位)，觀察上、下齒條是否為正常嚙合位置，如果有一定差異，可旋轉(zhuǎn)微調(diào)定位螺柄，使其進(jìn)入正常嚙合狀態(tài)，然后讓氣缸壓下活動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)自鎖。該機(jī)構(gòu)在調(diào)整好組件尺寸的狀態(tài)下，確保四組活動(dòng)支座在承受合框外力時(shí)，保持靜止不動(dòng)。當(dāng)需改變組件規(guī)格時(shí)，活動(dòng)齒條可自動(dòng)釋放脫離嚙合，然后切換組件規(guī)格，將微調(diào)活動(dòng)齒條至正確嚙合狀態(tài)。

該機(jī)構(gòu)切換組件方便、快捷，勞動(dòng)強(qiáng)度低，只要一次鎖緊完成，便可確保批次組件尺寸、精度的正確性。

九 結(jié)束語(yǔ)

組框組角機(jī)是光伏組件封裝生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到組件封裝質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。本文通過(guò)對(duì)其重要機(jī)構(gòu)的剖析，以具體設(shè)計(jì)實(shí)例介紹的典型機(jī)構(gòu)，均已得到實(shí)踐認(rèn)證，并廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外組件封裝生產(chǎn)中。