機器人搬運系統在太陽能電池板固化系統中的應用

韓靈生，王虹斌，郝 源

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

（北京科技大學 北京北科麥思科自動化工程技術有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著經濟的不斷發展，傳統能源的消耗日趨嚴重，人們對新能源的重視程度逐步提高。近些年，太陽能行業，作為新能源重要的組成部分，在國外強勁的市場拉動和國內政府推動的雙重驅動下發展著實迅速，我國太陽電池產業規模迅速擴張，我國已經成為全球太陽能電池第一生產大國，在全球太陽電池產業中發揮著舉足輕重的作用。但總體來看，我國太陽能電池自主研發、生產線的自動化水平與發達國家有著較大的差距。

而太陽能電池板固化，與串焊、層壓、組框、檢測在生產線中同等重要，此前一直都自動化程度低、勞動強度大、生產周期長等制約著生產效率，已經不能滿足太陽能電池行業市場競爭和技術發展的要求[1]。因此，本文設計了一個機器人全自動從固化室放置并取出太陽能板的固化系統，能夠滿足廠家對太陽板固化的生產效率的要求。

1 固化室控制系統

固化室的電氣控制系統以工控機為上位機，以PLC為核心，機器人控制系統通過PROFIBUS總線與PLC進行通信。固化室控制系統結構如圖1所示。

當太陽能電池板在固化室中根據生產要求固化以后，PLC控制系統與機器人控制系統的通信來保證機器人本體正常有序的運行。在固化室出、入料口工作臺自動定位裝置中安裝了編碼器，并設計有編碼器和PLC之間的通信。并且還設計了工作臺中的電磁氣動閥和PLC之間的通信。在PLC控制系統中，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閥來控制工作臺的動作，并通過PROFIBUS總線與機器人控制器進行通信。

圖1 固化室控制系統結構圖

本工作站采用西門子公司的PLC為主要控制裝置，其型號為：S7-300系列，包括CPU、供電電源、輸入輸出模塊、高速計數器模塊[2]。PLC的輸入模塊接收工作臺的信號，經PLC運算后，再把控制信號通過輸出模塊發送給工作臺執行裝置（主要指氣動裝置）；供電電源用來給PLC的提供24V電源來使PLC運行。

1）出、入料口工作臺自動定位裝置的電氣控制電路

出、入料口工作臺自動定位裝置控的電氣控制主要是對出、入料口工作臺的自動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，實現相應的動作。在工作臺自動定位夾緊控制系統中，由于工作臺與控制柜的距離比較近，執行裝置和檢測裝置與PLC的通信采用比較常用的硬線直接連接方法。這種方法的優點是成本低、可靠性高、抗干擾性強等。該部分控制系統的接線原理圖如圖2～圖5所示。

圖2 入料口工作臺自動定位裝置PLC輸入模塊接線原理圖

圖3 入料口工作臺自動定位裝置PLC輸出模塊接線原理圖

圖4 出料口工作臺自動定位裝置PLC輸入模塊接線原理圖

圖5 出料口工作臺自動定位裝置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PLC給繼電器信號時，繼電器吸合，線路通電，同時使相應的電磁換向閥的線圈吸合，使電磁換向閥動作，從而使相應的氣動元件動作，是自動定位裝置完成指定的動作。而檢測信號和夾具夾緊之后的信號輸入輸入到PLC中，又通過PROFIBUS總線傳送給機器人控制系統，從而控制機器人和機器人機械手的相關動作。

2）計數模塊接線示意圖

計數模塊接受物料入口處編碼器脈沖信號，用于測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 計數模塊接線示意圖

圖7 自動控制流程圖

PLC通過STEP7軟件進行編程，根據工作站的工作節拍和系統電氣原理，將定義好的變量通過梯形圖組織起來，制定變量間關系約束動作。如圖7所示為PLC對機器人控制的程序流程圖。

2 機器人控制系統

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

關于機器人本體主要特點有：采用的新型交流伺服電機，具有結構緊湊、高輸出、響應快、高可靠 性等特點。因此，使機器人本體更緊湊、更靈活，同時，具有了更大的運動空間和更好的穩定性，以及可以適應各種姿態的卓越性能。

此外，若是把機器人固定在一個位置上，其工作區域很有限，不能滿足固化室的生產節拍要求，因此，為機器人配備了外部伺服電機，使機器人能在固化室中的滑臺上直線運行，大大地擴大了其工作范圍，滿足了固化室的生產節拍，同時提高了固化室的利用率。

關于機器人控制柜（DX100）主要特點有：

1）高級機器人動作控制，諸如多軸復合系統控制、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、碰撞監控等多種控制功能。

2）轉角高速作業精確控制，機器人的軌跡控制得到改進，速度變化控制在最低范圍。

3）此外，還運用了諸如快速接近以縮短空行程時間的最優化功能。

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，使編輯操作過程簡單容易。

圖8 機器人本體示意圖

用機器人代替人進行作業時，必須預先對機器人發出指示，規定機器人進行應該完成的動作和作業的具體內容，這個過程就稱為對機器人的示教或對機器人的編程[4]。對于機器人的示教方法我們有很多種，要想機器人按照我們的要求完成任務，就必須先對機器人賦予一定的信息，最重要的是機器人的相關動作的完成次序的信息和外部信息協調的信息；其次是在和機器人工作時一些額外的條件信息；最后是機器人相關的位置和姿勢的信息。前兩個主要是和機器人要完成的工作和相關技術要求有關的，對于機器人的示教，主要是位置和姿勢的示教。

ES165D機器人系統是由本體6軸與一個外部軸組成。軸驅動全部采用伺服電機驅動。伺服電機接收DX100控制柜內的控制器發出的指令，完成所需要的位置，角度，速度的控制要求。ES165D機器人系統用于搬運和放置太陽能電池板。工作過程如下：

1）入料

控制器發出放置指令，機器人將入口太陽能電池板搬起，判斷板屜號及層數，行走到到指定的儲存架后，再將電池板放置好，輸出放置完成信號和位置板屜內太陽能板信息。行走距離達到15米，工作范圍大。

2）出料

當太陽能電池板固化達到要求后，控制器發出取出指令，機器人同樣判斷板屜號和層數，從指定的儲存架取出太陽能板，行走到出口位置，將太陽能板放置到出口輸送帶上，根據不同型號的電池板執行刮膠處理。程序流程如圖9所示。

圖9 機器人程序流程圖

ES165D機器人選擇搬運用途時，其重要參數已經按此用途初始化。也使得工作的重點變為根據現場要求對機器人示教編程，再根據具體情況進行調節。在本課題中，機器人將399個位置信息存放于C寄存器中；將8個速度信息存放于I寄存器中，以便程序隨時調用。位置信息和速度信息都是根據現場要求進行調試得出的。

3 搬運系統測試結果及分析

固化室電池板搬運系統主要由PLC、機器人及其相關氣動系統等執行機構組成，由于實際生產工作節拍對于機器人搬運系統的效率提出了較高的要求：首先要保證機器人放置電池板的位置準確，按照工藝要求其誤差小于1cm。如果誤差大于1cm會影響大尺寸電池板的放置。其次確保機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間在1分鐘之內。所以我們就針對太陽板放置位置和出、入料時間為目標，進行機器人示教及調試。最終測得位置偏移量數據和出、入料時間數據。根據圖13的坐標，以每個板屜中心為原點，測得電池板放置后的偏移量，本文列舉了第1、4、8、11、15、18號貨架的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個貨架的第一層的入料時間T1，出料時間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個貨架，每個貨架由上至下有21層；機器人腕部位于貨架第11層高度，并且機器人行走于兩排貨架中間。所以，入料時，機器人從入料口搬運電池板至第11或12號貨架第一層的時間應該最長；出料時，機器人接著再將第1或19號第一層的電池板搬至出料口的時間應該最長。

表1 機器人執行入料作業所需實際時間

表2 機器人執行出料作業所需實際時間

圖12 固化室內貨架及機器人滑軌位置示意圖

由圖10和11可以看出，最大誤差為7mm，出現在18號貨架第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號貨架第一層的入料時間最長，為26.32s，設為T入max；由表2可以看出，第1號貨架第一層的出料時間最長為23.92s，設為T出max。另外，機器人從12號貨架滑行至1號貨架的時間為7s（示教獲得），設為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，經過對機器人的測試，機器人搬運太陽能電池板系統完全符合位置要求生產節拍的要求。

4 結論

本文將機器人控制系統應用于太陽能電池板固化系統當中，解決了以往行業中自動化程度低、勞動強度大、生產周期長等制約著生產效率的問題。在實際現場應用結果驗證了誤差和節拍都符合工作要求，提高了生產效率，保證了電池板固化環節的性能穩定，可以在太陽能電池固化系統中推廣使用。

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

[2]師亞娟,劉欣.基于PLC的自動化生產線三自由度機械手控制系統設計[J].工業控制計算機,2013,(6):12-15.

[3]DX100使用說明書.安川電機(中國)有限公司[Z].2010.

[4]DX100操作要領書·通用·搬運用途.安川電機(中國)有限公司[Z].2010.