伸缩式机械手结构分析与研究

严雪冬，张武学

(中国电子科技集团第四十五研究所，北京 101601)

单晶硅太阳能电池是当前广泛应用的一种太阳能电池，不同行业和领域的电池片尺寸各不相同，故需进行相应的变型设计来实现高效稳定的印刷。伸缩式机械手是印刷电池片传输的重要部件，其工作时，通过机械手臂深入电池片底面，经过两根平皮带移动，将存放在料盒中的电池片取出，然后随两根同步运行的平皮带移动到下一个工位。料盒间歇下降1个片距，平皮带连续转动进行传片，直到料盒中的电池片全部传出，整个过程要求取片的速度均匀且电池片移动不能有太大偏斜。

1 伸缩式机械手主要结构

伸缩式机械手主要包括机械手臂、机械手臂驱动机构和印刷电池片传输机构三部分，其主体结构如图1所示，采用2个电机分别独立控制驱动和传输机构。

1.1 机械手臂

如图2所示，直线导轨安装在导轨底板上，起导向作用，连接板与直线导轨滑块固定连接，上托板与连接板通过内六角螺钉连接。

图1 伸缩式机械手主体结构图

图2 机械手臂示意图

1.2 机械手臂驱动机构

机械手臂驱动机构工作原理如图3所示，电机带动同步带轮旋转，驱动架随同步带左右移动，依靠电机架左移张紧同步带。电机安装在电机架上，电机架通过内六角螺钉与前立板固定连接，通过下压带板，将水平同步带与驱动架固定，水平同步带另一端装有惰轮，惰轮通过惰轮轴与惰轮轴座固定连接。

图3 机械手臂驱动机构主体示意图

1.3 印刷电池片传输机构

电池片传输机构主要包括平皮带，主体框架，传输机构主体和相关连接、张紧结构。

1.3.1 平皮带

平皮带选用聚酯纤维材质，高伸缩性无缝编布环状结构，绕行如图4所示。

图4 平皮带绕行示意图

1.3.2 主体框架结构

前后立板与底板、固定板和导轨底板，通过内六角螺钉进行固定连接，形成口字型框架结构。底板和固定板留有定位凸台，方便主体框架装配，并且能够保证前后立板的间距，如图5所示。

图5 主体框架结构示意图

1.3.3 印刷电池片传输机构主体

电机2驱动带轮旋转，通过同步带驱动主动轴旋转，安装在主动轴上的平皮带轮，利用摩擦力，带动绕在后平皮带轮、前小带轮、中小带轮、平带轮、张紧带轮上的平皮带，主同步带通过电机板向下运行张紧，图6为传输机构主体示意图。

1.3.4 平皮带的张紧

张紧座固定在前后立板内侧面，张紧轴在前后立板长槽内滑动，通过调节安装在张紧座孔内的张紧螺钉，向右拉动张紧轴，带动张紧带轮向右移动，张紧平皮带，图7为平皮带的张紧结构示意图。

2 料盒

料盒一般由用户根据印刷工艺需求定制，印刷电池片不同，工艺流程不同，料盒结构和尺寸不尽相同，图8为印刷电池片用料盒示意图。

3 伸缩式机械手工作原理

料盒连续上升或下降时，机械手臂处于收缩状态；当料盒到达取片位置后，机械手臂伸入料盒内部，电池片与平皮带上面接触，随平皮带向右移动。料盒下降一个设定间距，进行下一片传输，直至最后一片完成传输，机械手臂收缩，如图9所示。

图6 传输机构主体示意图

图7 平皮带的张紧结构示意图

图8 料盒示意图

3.1 机械手臂伸出

电机1带动同步带轮逆时针旋转，驱动架随水平同步带一起向左移动，机械手臂伸出，如图10所示。

3.2 机械手臂收缩

电机1带动同步带轮顺时针旋转，驱动架随水平同步带一起向右移动，机械手臂收缩，如图11所示。

3.3 平皮带运动

图9 伸缩式机械手工作原理示意图

图10 机械手臂伸出

图11 机械手臂收缩

电机2驱动同步带轮，通过同步齿形带，带动平皮带轮同步旋转。利用平皮带与带轮之间产生的摩擦力，带动绕在后平皮带轮、前小带轮、中小带轮、平带轮、张紧带轮上的平皮带移动。

4 伸缩式机械手结构设计

4.1 平皮带长度计算

已知条件：机械手臂行程150 mm，平皮带宽度10 mm，厚度1 mm。机械手伸出和缩回状态，平皮带长度相同，经计算，平皮带内周长度为1 395 mm，考虑到平皮带有5%的标准拉伸率，按照经验，平皮带内周长度1395·(1-4%)=1339 mm，按照平皮带长度标准，选取长度1 347 mm。

4.2 水平同步带长度计算

选用S3M同步齿形带，宽度10 mm。同步带轮齿数20，节圆直径Dp1=19.1 mm，带轮中心距C=200 mm，同步带长度L=πDp1+2C=459 mm，选用同步带周长459 mm。

4.3 主同步带长度计算

选用S3M同步齿形带，宽度10 mm。同步带轮齿数22，节圆直径DP2=20.1 mm，带轮中心距C=76 mm，同步带长度L=πDP2+2C=216 mm，选用同步带周长219 mm。

4.4 伸缩机械手的动作控制

采用3个光电开关来检测和判断相应位置，控制机械手的工作状态，如图12所示。在上托板左端方孔内，设置光电开关1，用于检测料盒内有无印刷电池片；在前立板上，安装光电开关2，通过光电弯板检测机械手臂是否复位；在固定板上安装光电开关3，判断印刷电池片是否从料盒传出，到达指定位置。

5 伸缩式机械手使用范围扩展

目前设计的伸缩式机械手，适用于156 mm×156 mm尺寸硅片的太阳能印刷线，当电池片尺寸改变时，需要对其进行相应的调整，进行变型设计。

图12 伸缩机械手的位置开关

5.1 小尺寸电池片

印刷小尺寸电池片时，机械手平皮带的宽度、长度和间距尺寸需要相应的减小，整体框架随之进行调整，如图13所示。

图13 小尺寸电池片机械手

5.2 带框电池片

印刷带框电池片时，平皮带间距要加大，且要求框边与平皮带接触，保证正确印刷；印刷大尺寸电池片时，要增加机械手行程，相应增加平皮带长度，水平同步带长度也要增加。同时前后立板长度尺寸也要相应加长。

5.3 长条型基片

印刷长条型基片时，平皮带间距要加大，为保证基片传输稳定，平皮带间距一般为印刷基片长度的1/2左右，如图14所示。

6 结束语

本文介绍的伸缩式机械手的机械结构，加工性能良好，装配简单，缩短了设计周期，在实际工作中已经得到验证，为今后的设计搭建了很好的平台。伸缩式机械手在实际应用中，稳定性高，提高了印刷的可靠性和稳定性，对伸缩式机械手的变型设计，拓展了丝网印刷的应用领域。