太阳能电池柔性装配系统机械手运动路径研究

2018-01-25马钢集团姑山矿业公司铁路运输车间安徽243181

金属加工(冷加工) 2018年1期

■马钢集团姑山矿业公司铁路运输车间（安徽 243181）曹静

■皖江职业教育中心学校（安徽 243002）庾鹏

太阳能电池是将太阳能转换成电能的装置，多块太阳能电池经焊接装配形成的大型太阳能电池板，可增加太阳能的采集总量，提高太阳能的利用率。太阳能电池柔性装配系统包含抓取机械手和焊接机械手，可根据太阳能电池的尺寸参数和特点，实现太阳能电池的自动化装配。

1. 焊接机械手的焊接方案

如图1所示，太阳能电池在焊接过程中，两块相邻的太阳能电池电极需搭接在一起，即一块电池的正极与另一块电池的负极相连接，焊接接头区域被完整的嵌在两块电池中间，目标焊接区域加热非常不便，不宜采用熔化焊方式。若选用压力焊接，太阳能电池电极易在高温高压下发生变形，对太阳能电池的使用性能产生不良影响。

因此，太阳能电池的焊接选用钎焊焊接方式。

图1 太阳能电池目标焊接区域图

2. 抓取机械手的运动路径研究

抓取机械手主要起到抓取、排列太阳能电池的作用，是将太阳能电池按照预定的设计要求排列起来；机械手共抓取12块太阳能电池，排列成4行3列。

基于全局坐标系，在抓取机械手工作时，把太阳能电池初始位置设为坐标原点；太阳能电池形状是规则的物体，则在xoy平面内的投影为规则矩形；在研究抓取机械手路径运动方案时可将每块太阳能电池在xoy平面内简化成质点，该质点即为太阳能电池的几何中心点，则抓取机械手的运动路径可以简化成图2所示模型。

图2 抓取质点简化模型

由于太阳能电池的长度、宽度尺寸不同，故当x方向的速度vx与y方向的速度vy相同时，抓取机械手在x、y分量方向所需要的时间不同。当vx远大于vy时，抓取机械手在完成x方向的移动量之后需要在y方向运动一段距离；当vx远小于vy时，情况相反。

根据两点之间线段最短的原则，抓取机械手在xoy平面最理想的运动路径就是直线运动。在相同的运动时间内，x轴和y轴可以同时达到终点，这不仅保证了最短的时间，也保证了最短的路程，即两个固定点之间选择出最优的运动路径。则抓取机械手抓取12块电池的过程就演变为同一原点到12个不同终点的直线运动，如图3所示。

图3 抓取机械手运动路径演变

考虑到相邻两块太阳能电池是堆叠搭接方式，所以不能随意抓取摆放，需按照某种抓取顺序才能完成预定的要求。以第一列太阳能电池的抓取排列为例，若第一次抓取的太阳能电池摆放在编号1的位置，则第二次抓取的太阳能电池可以摆放在编号2或者编号5的位置；若第一次抓取的太阳能电池摆放在编号2的位置，则编号1的位置不易放置太阳能电池块；若第一次抓取的太阳能电池摆放在3或者4的位置，均会出现相邻的太阳能电池抓取放置困难等问题。同理，对于第2列和第3列太阳能电池的排列抓取也会出现以上排列问题。

基于以上分析易知，抓取机械手在抓取时优先沿着x轴正方向或y轴正方向依次抓取；即若按照x轴正方向抓取太阳能电池，则太阳能电池的最优位置摆放顺序为1、5、9、2、6、10、3、7、11、4、8、12(电池位置编号)；若按照y轴正方向抓取太阳能电池，则太阳能电池的最优位置摆放顺序为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。综上所述，抓取机械手有多种运动路径，沿着x轴或y轴顺序依次排列摆放运动路径最优。

如图4所示的运动路径，为沿着y轴正方向依次抓取排列方式。工位01为抓取机械手的初始位置（也是复位位置），工位02是电池位置；A1过程是将抓取机械手从工位01运动到工位02，为机械手排列太阳能电池做准备运动；B1过程是抓取机械手工作过程。抓太阳能电池是一块一块抓取的，当机械手完成抓取和排列太阳能电池之后，会往返到工位02抓取下一块太阳能电池，再进行排列摆放。当抓取机械手完成一排电池摆放之后，将自动按照设定路径排列第二排、第三排太阳能电池，两排之间留有间隙。当抓取机械手完成其抓取和排列工作之后，沿着C1过程所示的路径返回。若需要继续工作，则返回到工位02；若不再需要工作，则返回工位01复位，以方便下一次的工作。