伸縮式機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析與研究

嚴(yán)雪冬，張武學(xué)

(中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京 101601)

單晶硅太陽能電池是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的一種太陽能電池，不同行業(yè)和領(lǐng)域的電池片尺寸各不相同，故需進(jìn)行相應(yīng)的變型設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的印刷。伸縮式機(jī)械手是印刷電池片傳輸?shù)闹匾考涔ぷ鲿r(shí)，通過機(jī)械手臂深入電池片底面，經(jīng)過兩根平皮帶移動(dòng)，將存放在料盒中的電池片取出，然后隨兩根同步運(yùn)行的平皮帶移動(dòng)到下一個(gè)工位。料盒間歇下降1個(gè)片距，平皮帶連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行傳片，直到料盒中的電池片全部傳出，整個(gè)過程要求取片的速度均勻且電池片移動(dòng)不能有太大偏斜。

1 伸縮式機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)

伸縮式機(jī)械手主要包括機(jī)械手臂、機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和印刷電池片傳輸機(jī)構(gòu)三部分，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用2個(gè)電機(jī)分別獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)和傳輸機(jī)構(gòu)。

1.1 機(jī)械手臂

如圖2所示，直線導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌底板上，起導(dǎo)向作用，連接板與直線導(dǎo)軌滑塊固定連接，上托板與連接板通過內(nèi)六角螺釘連接。

圖1 伸縮式機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械手臂示意圖

1.2 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理如圖3所示，電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)架隨同步帶左右移動(dòng)，依靠電機(jī)架左移張緊同步帶。電機(jī)安裝在電機(jī)架上，電機(jī)架通過內(nèi)六角螺釘與前立板固定連接，通過下壓帶板，將水平同步帶與驅(qū)動(dòng)架固定，水平同步帶另一端裝有惰輪，惰輪通過惰輪軸與惰輪軸座固定連接。

圖3 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主體示意圖

1.3 印刷電池片傳輸機(jī)構(gòu)

電池片傳輸機(jī)構(gòu)主要包括平皮帶，主體框架，傳輸機(jī)構(gòu)主體和相關(guān)連接、張緊結(jié)構(gòu)。

1.3.1 平皮帶

平皮帶選用聚酯纖維材質(zhì)，高伸縮性無縫編布環(huán)狀結(jié)構(gòu)，繞行如圖4所示。

圖4 平皮帶繞行示意圖

1.3.2 主體框架結(jié)構(gòu)

前后立板與底板、固定板和導(dǎo)軌底板，通過內(nèi)六角螺釘進(jìn)行固定連接，形成口字型框架結(jié)構(gòu)。底板和固定板留有定位凸臺(tái)，方便主體框架裝配，并且能夠保證前后立板的間距，如圖5所示。

圖5 主體框架結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.3 印刷電池片傳輸機(jī)構(gòu)主體

電機(jī)2驅(qū)動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn)，通過同步帶驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，安裝在主動(dòng)軸上的平皮帶輪，利用摩擦力，帶動(dòng)繞在后平皮帶輪、前小帶輪、中小帶輪、平帶輪、張緊帶輪上的平皮帶，主同步帶通過電機(jī)板向下運(yùn)行張緊，圖6為傳輸機(jī)構(gòu)主體示意圖。

1.3.4 平皮帶的張緊

張緊座固定在前后立板內(nèi)側(cè)面，張緊軸在前后立板長槽內(nèi)滑動(dòng)，通過調(diào)節(jié)安裝在張緊座孔內(nèi)的張緊螺釘，向右拉動(dòng)張緊軸，帶動(dòng)張緊帶輪向右移動(dòng)，張緊平皮帶，圖7為平皮帶的張緊結(jié)構(gòu)示意圖。

2 料盒

料盒一般由用戶根據(jù)印刷工藝需求定制，印刷電池片不同，工藝流程不同，料盒結(jié)構(gòu)和尺寸不盡相同，圖8為印刷電池片用料盒示意圖。

3 伸縮式機(jī)械手工作原理

料盒連續(xù)上升或下降時(shí)，機(jī)械手臂處于收縮狀態(tài)；當(dāng)料盒到達(dá)取片位置后，機(jī)械手臂伸入料盒內(nèi)部，電池片與平皮帶上面接觸，隨平皮帶向右移動(dòng)。料盒下降一個(gè)設(shè)定間距，進(jìn)行下一片傳輸，直至最后一片完成傳輸，機(jī)械手臂收縮，如圖9所示。

圖6 傳輸機(jī)構(gòu)主體示意圖

圖7 平皮帶的張緊結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 料盒示意圖

3.1 機(jī)械手臂伸出

電機(jī)1帶動(dòng)同步帶輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)架隨水平同步帶一起向左移動(dòng)，機(jī)械手臂伸出，如圖10所示。

3.2 機(jī)械手臂收縮

電機(jī)1帶動(dòng)同步帶輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)架隨水平同步帶一起向右移動(dòng)，機(jī)械手臂收縮，如圖11所示。

3.3 平皮帶運(yùn)動(dòng)

圖9 伸縮式機(jī)械手工作原理示意圖

圖10 機(jī)械手臂伸出

圖11 機(jī)械手臂收縮

電機(jī)2驅(qū)動(dòng)同步帶輪，通過同步齒形帶，帶動(dòng)平皮帶輪同步旋轉(zhuǎn)。利用平皮帶與帶輪之間產(chǎn)生的摩擦力，帶動(dòng)繞在后平皮帶輪、前小帶輪、中小帶輪、平帶輪、張緊帶輪上的平皮帶移動(dòng)。

4 伸縮式機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 平皮帶長度計(jì)算

已知條件：機(jī)械手臂行程150 mm，平皮帶寬度10 mm，厚度1 mm。機(jī)械手伸出和縮回狀態(tài)，平皮帶長度相同，經(jīng)計(jì)算，平皮帶內(nèi)周長度為1 395 mm，考慮到平皮帶有5%的標(biāo)準(zhǔn)拉伸率，按照經(jīng)驗(yàn)，平皮帶內(nèi)周長度1395·(1-4%)=1339 mm，按照平皮帶長度標(biāo)準(zhǔn)，選取長度1 347 mm。

4.2 水平同步帶長度計(jì)算

選用S3M同步齒形帶，寬度10 mm。同步帶輪齒數(shù)20，節(jié)圓直徑Dp1=19.1 mm，帶輪中心距C=200 mm，同步帶長度L=πDp1+2C=459 mm，選用同步帶周長459 mm。

4.3 主同步帶長度計(jì)算

選用S3M同步齒形帶，寬度10 mm。同步帶輪齒數(shù)22，節(jié)圓直徑DP2=20.1 mm，帶輪中心距C=76 mm，同步帶長度L=πDP2+2C=216 mm，選用同步帶周長219 mm。

4.4 伸縮機(jī)械手的動(dòng)作控制

采用3個(gè)光電開關(guān)來檢測(cè)和判斷相應(yīng)位置，控制機(jī)械手的工作狀態(tài)，如圖12所示。在上托板左端方孔內(nèi)，設(shè)置光電開關(guān)1，用于檢測(cè)料盒內(nèi)有無印刷電池片；在前立板上，安裝光電開關(guān)2，通過光電彎板檢測(cè)機(jī)械手臂是否復(fù)位；在固定板上安裝光電開關(guān)3，判斷印刷電池片是否從料盒傳出，到達(dá)指定位置。

5 伸縮式機(jī)械手使用范圍擴(kuò)展

目前設(shè)計(jì)的伸縮式機(jī)械手，適用于156 mm×156 mm尺寸硅片的太陽能印刷線，當(dāng)電池片尺寸改變時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。

圖12 伸縮機(jī)械手的位置開關(guān)

5.1 小尺寸電池片

印刷小尺寸電池片時(shí)，機(jī)械手平皮帶的寬度、長度和間距尺寸需要相應(yīng)的減小，整體框架隨之進(jìn)行調(diào)整，如圖13所示。

圖13 小尺寸電池片機(jī)械手

5.2 帶框電池片

印刷帶框電池片時(shí)，平皮帶間距要加大，且要求框邊與平皮帶接觸，保證正確印刷；印刷大尺寸電池片時(shí)，要增加機(jī)械手行程，相應(yīng)增加平皮帶長度，水平同步帶長度也要增加。同時(shí)前后立板長度尺寸也要相應(yīng)加長。

5.3 長條型基片

印刷長條型基片時(shí)，平皮帶間距要加大，為保證基片傳輸穩(wěn)定，平皮帶間距一般為印刷基片長度的1/2左右，如圖14所示。

6 結(jié)束語

本文介紹的伸縮式機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，加工性能良好，裝配簡(jiǎn)單，縮短了設(shè)計(jì)周期，在實(shí)際工作中已經(jīng)得到驗(yàn)證，為今后的設(shè)計(jì)搭建了很好的平臺(tái)。伸縮式機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定性高，提高了印刷的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)伸縮式機(jī)械手的變型設(shè)計(jì)，拓展了絲網(wǎng)印刷的應(yīng)用領(lǐng)域。