■馬鋼集團(tuán)姑山礦業(yè)公司鐵路運(yùn)輸車間 （安徽 243181）曹 靜

■皖江職業(yè)教育中心學(xué)校 （安徽 243002） 庾 鵬

太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，多塊太陽能電池經(jīng)焊接裝配形成的大型太陽能電池板，可增加太陽能的采集總量，提高太陽能的利用率。太陽能電池柔性裝配系統(tǒng)包含抓取機(jī)械手和焊接機(jī)械手，可根據(jù)太陽能電池的尺寸參數(shù)和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽能電池的自動(dòng)化裝配。

1. 焊接機(jī)械手的焊接方案

如圖1所示，太陽能電池在焊接過程中，兩塊相鄰的太陽能電池電極需搭接在一起，即一塊電池的正極與另一塊電池的負(fù)極相連接，焊接接頭區(qū)域被完整的嵌在兩塊電池中間，目標(biāo)焊接區(qū)域加熱非常不便，不宜采用熔化焊方式。若選用壓力焊接，太陽能電池電極易在高溫高壓下發(fā)生變形，對(duì)太陽能電池的使用性能產(chǎn)生不良影響。

因此，太陽能電池的焊接選用釬焊焊接方式。

圖1 太陽能電池目標(biāo)焊接區(qū)域圖

2. 抓取機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑研究

抓取機(jī)械手主要起到抓取、排列太陽能電池的作用，是將太陽能電池按照預(yù)定的設(shè)計(jì)要求排列起來；機(jī)械手共抓取12塊太陽能電池，排列成4行3列。

基于全局坐標(biāo)系，在抓取機(jī)械手工作時(shí)，把太陽能電池初始位置設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)；太陽能電池形狀是規(guī)則的物體，則在xoy平面內(nèi)的投影為規(guī)則矩形；在研究抓取機(jī)械手路徑運(yùn)動(dòng)方案時(shí)可將每塊太陽能電池在xoy平面內(nèi)簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)即為太陽能電池的幾何中心點(diǎn)，則抓取機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑可以簡(jiǎn)化成圖2所示模型。

圖2 抓取質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型

由于太陽能電池的長(zhǎng)度、寬度尺寸不同，故當(dāng)x方向的速度vx與y方向的速度vy相同時(shí)，抓取機(jī)械手在x、y分量方向所需要的時(shí)間不同。當(dāng)vx遠(yuǎn)大于vy時(shí)，抓取機(jī)械手在完成x方向的移動(dòng)量之后需要在y方向運(yùn)動(dòng)一段距離；當(dāng)vx遠(yuǎn)小于vy時(shí)，情況相反。

根據(jù)兩點(diǎn)之間線段最短的原則，抓取機(jī)械手在xoy平面最理想的運(yùn)動(dòng)路徑就是直線運(yùn)動(dòng)。在相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，x軸和y軸可以同時(shí)達(dá)到終點(diǎn)，這不僅保證了最短的時(shí)間，也保證了最短的路程，即兩個(gè)固定點(diǎn)之間選擇出最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)路徑。則抓取機(jī)械手抓取12塊電池的過程就演變?yōu)橥辉c(diǎn)到12個(gè)不同終點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 抓取機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑演變

考慮到相鄰兩塊太陽能電池是堆疊搭接方式，所以不能隨意抓取擺放，需按照某種抓取順序才能完成預(yù)定的要求。以第一列太陽能電池的抓取排列為例，若第一次抓取的太陽能電池?cái)[放在編號(hào)1的位置，則第二次抓取的太陽能電池可以擺放在編號(hào)2或者編號(hào)5的位置；若第一次抓取的太陽能電池?cái)[放在編號(hào)2的位置，則編號(hào)1的位置不易放置太陽能電池塊；若第一次抓取的太陽能電池?cái)[放在3或者4的位置，均會(huì)出現(xiàn)相鄰的太陽能電池抓取放置困難等問題。同理，對(duì)于第2列和第3列太陽能電池的排列抓取也會(huì)出現(xiàn)以上排列問題。

基于以上分析易知，抓取機(jī)械手在抓取時(shí)優(yōu)先沿著x軸正方向或y軸正方向依次抓取；即若按照x軸正方向抓取太陽能電池，則太陽能電池的最優(yōu)位置擺放順序?yàn)?、5、9、2、6、10、3、7、11、4、8、12(電池位置編號(hào))；若按照y軸正方向抓取太陽能電池，則太陽能電池的最優(yōu)位置擺放順序?yàn)?、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。綜上所述，抓取機(jī)械手有多種運(yùn)動(dòng)路徑，沿著x軸或y軸順序依次排列擺放運(yùn)動(dòng)路徑最優(yōu)。

如圖4所示的運(yùn)動(dòng)路徑，為沿著y軸正方向依次抓取排列方式。工位01為抓取機(jī)械手的初始位置（也是復(fù)位位置），工位02是電池位置；A1過程是將抓取機(jī)械手從工位01運(yùn)動(dòng)到工位02，為機(jī)械手排列太陽能電池做準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)；B1過程是抓取機(jī)械手工作過程。抓太陽能電池是一塊一塊抓取的，當(dāng)機(jī)械手完成抓取和排列太陽能電池之后，會(huì)往返到工位02抓取下一塊太陽能電池，再進(jìn)行排列擺放。當(dāng)抓取機(jī)械手完成一排電池?cái)[放之后，將自動(dòng)按照設(shè)定路徑排列第二排、第三排太陽能電池，兩排之間留有間隙。當(dāng)抓取機(jī)械手完成其抓取和排列工作之后，沿著C1過程所示的路徑返回。若需要繼續(xù)工作，則返回到工位02；若不再需要工作，則返回工位01復(fù)位，以方便下一次的工作。

3. 焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑研究

焊接機(jī)械手主要是將相鄰的兩塊太陽能電池焊接在一起，完成焊接工藝。太陽能電池排列成4行3列，需要焊接9次才能完成全部焊接工藝。將焊接位置簡(jiǎn)化成9個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再將9個(gè)質(zhì)點(diǎn)串聯(lián)起來，即為焊接機(jī)械手在焊接過程中的運(yùn)動(dòng)路徑，如圖5所示。

圖4 抓取機(jī)械手的路徑方案

圖5 焊接運(yùn)動(dòng)路徑

根據(jù)機(jī)械手在焊接過程中走的“S”型路線，可以計(jì)算出其在完成9次焊接時(shí)所需要走的總路程S1，易得：

已知太陽能電池的規(guī)格參數(shù)，設(shè)長(zhǎng)度尺寸為a，寬度尺寸為b（a＞b），兩列電池之間的

間隙為δ，則：

機(jī)械手完成焊接過程所走的總路程S1為：

抓取機(jī)械手和焊接機(jī)械手的路徑規(guī)劃完成后，在PLC系統(tǒng)的控制下，完成了兩者的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的柔性裝配功能。

4.結(jié)語

太陽能電池柔性裝配系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏和控制精度高等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑的研究有助于提高太陽能電池的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，其中抓取機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑有多種，沿x或y軸正方向運(yùn)動(dòng)路徑最優(yōu)；而對(duì)焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)出“S型”運(yùn)動(dòng)路徑方案，符合焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求。

[1] 龐國(guó)星. 工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 彭芳. 釬焊技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用[J]. 內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古石油化工，2011，37（2）：118.