自动分拣光伏玻璃平台电气系统研究

2018-04-20陈志华

组合机床与自动化加工技术 2018年4期

陈志华，刘泉

(北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192)

0 引言

随着新能源技术的不断进步和太阳能发电的大力推广，太阳能光伏组件的生产规模越来越大，中国已经成为全球最大的太阳能光伏玻璃基片生产国之一[1]。目前，仍有少数企业在生产光伏玻璃过程中采用人工分拣，既不能有效的分拣出合格的光伏玻璃，又增加了生产成本。因此，对自动化光伏玻璃基片分拣设备及控制系统研究显得尤为重要。

目前，我国玻璃生产码垛机器人结构主要采用直角坐标型和关节型[2]。悬挂式玻璃取片机属于直角坐标型，应用到工业生产中，其不足之处在于占用空间大，灵活度不高；关节型多自由度机器人控制过程复杂，其末端采用向下吸取方式，不仅使得路径规划变得更加复杂，而且价格昂贵且维护成本高，分拣过程中一旦路径设计不精确，很容易造成玻璃的破损[3]；此外，下片机和辊道一体化形式码垛机器人，这种机器人缺陷在于下片机对辊道易产生共振，且两者速度不协调易导致玻璃被压碎将会造成巨大损失。

本设计的自动分拣光伏玻璃平台控制系统很好地解决了这些问题，最终目的是使光伏玻璃基片生产效率和分拣速度得到显著的提高，而翻转机械手的控制在其中扮演着非常重要的角色。翻转机械手分拣光伏玻璃创新点和优点：①采用向上托起并吸附方式，避免了因向下吸附而造成玻璃挤压破损，而且必须要求能够满足匹配前段生产设备的生产速度，在玻璃分拣过程中，不影响后段玻璃正常传输和运行；②分拣机械手与辊道分离式，结合伺服控制和直线导轨，实现精确平稳直线进给运动，同时满足设备占地空间小、结构简单、性能可靠、生产效率高、自动化程度高的要求。

1 光伏电池基片分拣平台的搭建

自动分拣光伏玻璃平台(如图3所示)由两大部分组成：光伏玻璃传输平台(如图1所示)，光伏玻璃自动分拣机械手(如图2所示)。

首先，光伏玻璃传输平台主要由辊道、轴承支座、直锥齿轮、联轴器、链条以及步进电机组成。一端由支座支撑着辊道，另一端由电机驱动，通过链条、联轴器以及直锥齿轮来带动整个传输平台的辊道转动。

图1 光伏玻璃传输平台

图2 光伏玻璃自动分拣机械手

图3 自动分拣光伏玻璃平台

其次，光伏玻璃分拣机械手的主要作用是将合格的光伏玻璃基片从传输线上升起、吸附、翻转，堆垛入库，将不合格的产品继续传送到下一工位处理。分拣机械手主要由底座、吸盘臂、吸盘、轨道、连杆、气缸、齿轮、齿条、减速器、执行电机等组成。水平方向移动是靠导轨系统完成的，导轨、齿条固定在翻转机底座上，滑块与翻转机构相固定,而减速器及齿轮固定在翻转机构上，伺服电机转动带动齿轮齿条机构在滑块上运行，完成翻转机前后精确定位和移动。翻转方向采用四连杆机构传动，由步进电机转动带动转盘转动，进而通过连杆带动吸盘臂摆动，完成翻转动作。

2 气动回路系统设计

本文设计的自动分拣光伏玻璃平台末端真空吸盘抓取玻璃的气动回路原理图如图4所示。

图4 气动回路原理图

光伏玻璃基片经清洗机清洗之后，对光伏玻璃基片传输路径进行合理规划并编码，然后进行玻璃检测，不合格的玻璃进入下一个工位进行加工处理，合格的玻璃被传输到指定的位置，当到达指定位置时触发相应传感器，传感器发出反馈信号或者指令给主控制器，主控制器再给出相应的指令来控制气动回路。

如图4所示，整个气动回路的动力来源与空气压缩机，气体经过气动三联件进行过滤处理(除去气体中的水、灰尘、油渍)，然后通过调节连接在C1、C2上的调压阀，使得进口的压力和调节到满足气缸伸缩的工作压力值；三位五通换向电磁阀YV1、YV2左右通断电，控制着气缸的伸缩，当处于中位时，气缸处于静止状态；另外，当真空吸盘接触到合格光伏玻璃时，真空发生器可以将空气压缩机提供的正气压转换为所需要的负压力值，然后通过主控制器控制两位两通换向电磁阀YV3换向，最终把合格的光伏玻璃码放在码垛上，达到分拣光伏玻璃的目的(其中，C1、C2为控制分拣机械手翻转气缸及控制吸盘小臂升降气缸，YV1、YV2为控制气缸C1、C2运动的电磁阀，YV3为控制吸盘吸气吹气的二位二通电磁阀，Z1～Z6为真空发生器，X1～X6为真空吸盘)。

2.1 气缸的选型

气缸作为气动控制回路系统中的重要执行元件，本文设计中采用直线运动类型气缸[4]。根据光伏玻璃基片的尺寸和重量，计算气缸参数如下：气缸采用LG系列气缸_LG50-100-15，缸径50mm，最大行程200mm，工作压力0.04～0.98MPa[5]。

2.2 气动元器件的选型

图5 电控柜实物图

本文设计的自动分拣平台所选用空气压缩机品牌是：OUTSTANDING，型号为：750W-30L。气动回路中其他主要相关元器件型号分别为：过滤减压阀型号为AFC2000，三位五通电磁换向阀型号为AIRTAC4V230C-08，二位二通电磁换向阀为德力西4V210-08，消音器型号为kamoer消音器。空气过滤器、减压阀、三位五通电磁阀、二位二通电磁阀都安装在电柜背后，方便气动回路连接。气动回路实物图如图5所示。

2.3 吸盘真空度计算

图3中，吸盘臂上安装6个吸盘，吸盘直径为：

(1)

在式(1)[7]中，G是玻璃自身重力，单位N；t是安全系数，在玻璃水平吸附时，t≥4，玻璃垂直吸附时，t≥8；n为洗盘的个数；P为吸盘真空度，单位为MPa；R是吸盘直径，单位mm。

试验中，一块玻璃的平均重力G=3.50N，单个吸盘直径R=160mm，因此在水平吸附和垂直吸附下，吸盘的真空度分别为：

(2)

(3)

吸盘臂上的6个吸盘真空度P应该取最大真空度pmax(即真空泵)的40%-60%之间，既保证了吸盘能够吸附，又能随时控制吸盘松开。

3 气动回路控制系统设计

图6 控制分拣机的直流伺服电机等效简图

电控柜里集成了绝大部分的电气元器件，是电气控制系统元件的集成地，控制着整个光伏玻璃分拣平台，其实物图如图6所示。

电控柜的主要组成包括以下部分：三菱PLC、主机、电控模块、电磁阀、继电器、变频器、接触器、伺服电机驱动器及放大器、步进电机驱动器等等[9]。

3.1 PID算法控制伺服电机

分拣机械手水平移动是靠导轨系统(图3可见)完成的。导轨、齿条与翻转系统的底座固定，滑块与上面的翻转机构相固定,而减速器及齿轮固定在翻转机构上，伺服电机转动带动齿轮齿条机构在滑块上运行，从而完成前进后退动作，伺服电机精确控制滑块移动行程，以此来实现精确定位和移动[6]。因此，对分拣设备水平移动平稳性研究具有重要的意义。

图7是控制分拣机的直流伺服电机等效简图。其中，U—输入电压，R—是阻值，L—电感，J—转动惯量，W—转角，f—阻尼系数，M—电机转矩。

图7 伺服电机等效示意图

根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律[8]，对图7示意图列出方程组：

(4)

经过来普拉斯变换法，消除中间变量，得到传递函数为：

(5)

式中，J=3.23，f=3.51，R=4，L=2.75，Ka=Kb=0.03。

分拣机在分拣过程中，伺服电机起驱动作用，分拣机运动位置的精确性和速度的准确性都十分重要，因此，电机控制上采用PID闭环控制[10-11]，经过调试，最终确定比例P、积分I、微分D三部分参数分别为14、20、0.2，利用Simulink仿真软件，设置环境参数[12]，搭建仿真模型见图8，仿真结果如图9响应曲线。

图8 PID控制模型图

图9 PID控制阶跃响应图

3.2 光伏玻璃分拣平台工作原理

光伏玻璃分拣平台主要分为A、B两段，A段只要是传输部分，B段位翻转堆垛部分。其传输线如图10所示。

图10 传输线示意图

光伏玻璃基片经过清洗工位后，经SP0传感器检测到位，并将信息传递给控制器(PLC)，控制器发出指令，控制电机M1启动，A段传输辊道开始传输；当光电传感器SP1检测到光伏玻璃基片时，SP1发送信号给PLC，PLC此时根据内部程序，判断翻转机构的位置，若不在正确位置，伺服电机SM1、电机M2和气缸AC2调整翻转归位，准备下一步动作；光电传感器SP2用来定位光伏玻璃基片的位置，当SP2检测到光伏玻璃基片时，可以认定光伏玻璃基片已经全部位于翻转机构上方，这时，电机M1准备停止；当基片碰触微动行程开关SQ1、SQ2时，基片完全到位，电机M1立即停止，SP1、SP2、SQ1、SQ2形成与关系，同时满足方可进入翻转堆垛流程。

SP1、SP2、SQ1、SQ2的与关系同时满足时。此时气缸动作，带动小臂上拉，小臂上拉限位开关B5动作，使小臂上升到设定位置，电磁阀动作，真空泵启动，吸盘吸气，当真空达到预先设定的值后，吸盘接触到基片开关B8动作，吸盘完全吸住基片；2s后，导轨电机SM1启动，带动翻转机构后退；后退接近开关B2动作，导轨电机停止，后退限位开关B11动作，翻转机构到达设定的位置；2s后，气缸动作，带动小臂回落，小臂下降限位开关B6动作，下降到设定位置；2s后，曲柄摇杆机构电机M2启动带动大臂翻转，大臂下翻转限位开关B4动作，翻转到设定的角度停止；小臂上拉，小臂上升限位开关B5动作到达设定的位置，吸盘吹起，吸盘接触到玻璃开关B8动作，小臂下拉，小臂下拉限位开关B6动作，2s后，大臂翻转，大臂向上限位开关B3动作到达设定的位置，2s后，机械手前进，前进接近开关B1动作，导轨电机SM1停止，前进限位开关B10动作，翻转机构到达设定的位置停止，恢复到初始状态。