光伏组件自动化流水线自动条码装置设计*

王 磊，吴孙阳，王春成，秦以江

(阜宁协鑫集成科技有限公司, 江苏 阜宁 224400)

0 引言

制造业尤其是新兴产业在自动化流水线应用方面走在技术前列[1]。在自动化流水线生产过程中条形码结合信息技术实现了产品生产过程的可视化、数据化和实时可控[2]，在零配件、组装、运输、农业经济等产业应用及其广泛[3-4]。

目前，国内制造型企业在自动化流水线关于条形码的应用取得了长足进展，学者专家在该方面做出了重大贡献：王烨青等[5]采用高速CCD摄像机(Charge Coupled Device, 电荷耦合器件)条形码进行拍照并二次图像处理，实现条形码读取精确；刘希[6]设计一种多条形码识别系统，实现一个数字图片中多个条形码的定位识别；廖文睛等[7]引入HOG和SVM条形码图像识别方式提高条形码图像的定位效率和识别成功率。上述学者对条形码进行研究中多采用信息化技术提升条形码的存储和识别能力，流水线作业过程中如何便捷放置条形码没有过多研究。

本文设计的光伏组件自动化流水线自动条码装置是一种通过裁切设备、打印装置结合制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)形成的组合式装置，技术人员预先设定条形码顺序规则，通过MES系统传递到打印机上，打印机完成打印后，伺服机构驱动机械臂进行X、Y、Z轴进行运动，机械臂上的夹钳通过气缸横向抓取条形码，通过气缸驱动机械尾部的切刀切断条形码与条形码之间的连接，夹钳带动条形码放置到指定位置。

1 条形码使用现状分析

1.1 条形码使用现状

光伏组件生产过程中会使用一种碳带打印的条码，该条码尺寸为50 mm×12 mm，一般采用米亚银聚脂薄膜材质，用于标识组件订单序号和产品生产时间等信息，通过条码扫描能够准确识别光伏组件生产时间、制程中使用的电池片、玻璃、边框、接线盒等材料信息，同时能够识别组件生产过程中EL(Electroluminescent，电致发光)测试及IV测试显示数据，对光伏组件生产过程中的管控和MES数据信息对接具有较大作用[8]。

1.2 光伏组件条形码安装区域分析

光伏组件生产过程包含从玻璃上料、串焊机、自动排版、自动焊接、自动叠层、外观检测、层压、装框、清洗、测试与分档。条形码放置主要集中在串焊机、自动排版到自动叠层焊接3个工位之间。串焊机在电池串焊接完成后，经过扫码的条形码放置在电池串中运输到排版机中进行电池串排版作业。常规组件的条形码有2个：一个位于光伏组件玻璃面右上角处，主要便于在组件流转过程中确认过站信息，在自动焊接岗位中叠层焊接机作业后人工进行放置条形码；另一个位于光伏组件背面(根据产品不同分为单玻和双玻组件，单玻组件背面是背板，双玻组件背面是玻璃)，位置根据各企业特点放置差异较为明显，在自动叠层后，人工根据客户要求进行放置条形码。从安装区域分析，条形码形成到安装完成主要在串焊机、自动焊接、自动叠层3个工序，其中自动焊接和自动叠层均为一对一人工作业，不存在条形码错放及漏放现象，在串焊机处，存在一对多作业，存在错放及漏放问题。因此本文重点解决串焊机处条形码打印、扫码及放置问题。

2 自动条码装置整体设计思路

自动条码装置应具备的特点：X、Y、Z方向可以通过气动或者电动设备带动不间断作业；设计装置简单易行，减少对流水线的运行影响；装置连接MES系统，确保条形码输出准确。在进行自动条码装置设计过程中需要考虑结构的设计、气缸的选择、气动元件的选择、电器元件的选择、吸盘力计算与控制、打印机选择。

2.1 自动条码装置结构设计

设计的自动条码装置一种直角坐标系式使用的装置结构[9]，主要作用是通过MES系统确定的条码规则，使用碳带在打印机中把条码信息打印完成，打印完成后通过拍照回传条码信息到MES系统中，核对条码信息；信息核对完成无误后，切刀在气动装置驱动下，裁切条码；传输带通过气动装置把吸盘移动到条码处，吸盘抓取条码；通过传输带移动到条码装置区域，松开吸盘，条码自动掉落到光伏组件上；传输带通过气动装置进行，归位原点。整体作业方式如图1所示。

图1 自动条码装置作业流程图

2.2 自动条码装置气缸选择

光伏组件车间为提高设备使用安全和降低使用成本，主要的设备均以用气为主，因此车间内各工序均实现了气管连接。本次使用的自动条码装置的吸盘和步进装置使用气缸驱动，气缸驱动降低能耗的同时能够避免用电风险。根据气缸的行程和用气量[10]，本装置气缸的工作环境为25±5 ℃，工作负载20 kg，工作压强在0.1～0.5 MPa之间，气缸的行程≤200 mm，要求气缸作业时间<1 s，负载率按照0.4计算，计算得到缸体直径D=46.09 mm，因此选择缸体直径为50 mm，最大行程为200 mm，查阅目前公司主要采用的是亚德客气缸，因此选用亚德客HFZ-20型号。

2.3 自动条码装置气动元件的选择

本装置使用的空气压缩机、电磁换向阀、吸盘等使用的品牌和型号如表1所示。

表1 主要气动元件厂家选择

2.4 自动条码装置电气元件的选择

根据裁切机械手每个部位和运输所需要的实际扭矩大小来确定电气元件的参数需求，元器件的品牌、型号需求如表2所示。

表2 主要电气元件厂家选择

2.5 自动条码装置吸盘吸力计算与控制

2.6 自动条码装置打印机的选择

每英寸点数[12](Dots Per Inch,DPI)是打印机选择的主要参数，DPI越低，扫描的清晰度越低；DPI越高，占用存储空间越大，传输效率越低。光伏组件生产过程中条码打印机要求DPI不得低于300，个别客户要求DPI达到600。斑马ZT610-600系列工业打印机能够满足24 h不间断无故障打印及精度要求，同时实现与MES信息互联。

3 自动条码装置控制技术点

把自动条码装置通过传输带运送到条码打印机旁，MES系统反馈信号给条码打印机，条码打印机打印一串条码(根据客户需求打印，正常为1次3个相同条码)，打印出条码后，通过拍照系统回传条码信息到MES系统，与打印要求核对一致后，机械手抓取条码，切刀把条码串裁切完成，吸盘把机械手的条码吸起，通过传输带作业到组件上，松开吸盘，条码串落在组件上，组件流转出去，进行下一道工序继续作业。具体要求如下：

(1)X、Y、Z轴移动情况说明：X、Y轴方向通过皮带导轨进行作业完成，两个方向都是依赖于可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller, PLC)脉冲输入信号控制功能驱动伺服放大器控制伺服机构准确实现，Z轴通过气缸气压差实现上下运动。

(2)变频调速：整个作业过程为了减少速度不稳定带来的作业误差，采用变频器进行控制步进速度，变频器能够实现精准的速度控制，以便于自动条码装置能够实现前、左、上，后、右、下。

(3)自动循环作业：在MES系统对接条码打印机后，由MES传递打印数据信号给斑马打印机，打印机按照设定进行作业，自动装置按照编程进行抓取作业，直到整个工作完成，然后自动进行下一次的作业。

4 结论

以自动化结合信息化实现条码打印自动抓取，设计一种自动打印、裁切和放置的自动条码装置，为组件企业实施自动化与智能化提供了较好的根基。该装置在实践使用过程中证实：采用MES、PLC控制和伺服控制技术来实现条码打印装置自动对接系统、裁切与安装自动化，通过变频控制器实现装置步进过程中平稳性，最终实现连续稳定生产，避免人员打印及放置条码导致的作业失误及安全风险，提升车间生产连贯性，实现车间效率提升。