太陽(yáng)電池組件裝框機(jī)中典型機(jī)構(gòu)研究

寧夏銀星能源光伏發(fā)電設(shè)備制造有限公司 張翔衛(wèi)

營(yíng)口金辰機(jī)械股份有限公司 李敦信

一 引言

裝框機(jī)是太陽(yáng)電池組件封裝工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)組件的使用壽命有至關(guān)重要的影響。近年來(lái)，隨著太陽(yáng)電池組件封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，新穎別致的裝框機(jī)及其匠心獨(dú)運(yùn)的典型機(jī)構(gòu)不斷刷新裝框機(jī)的“歷史”，為太陽(yáng)電池組件封裝工藝提供了安全、可靠、高效的配套設(shè)備。筆者通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)組件封裝工藝的研究與實(shí)踐，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝框機(jī)典型機(jī)構(gòu)，為封裝設(shè)備的選擇、配套提供成功的解決方案。

二 太陽(yáng)電池組件裝框機(jī)的規(guī)正機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的離線式裝框機(jī)在進(jìn)行組件裝框時(shí)，只能靠人工將組件搬上、抬下，而自動(dòng)化生產(chǎn)所配套的裝框機(jī)，組件則自動(dòng)輸入或由機(jī)械手、機(jī)器人自動(dòng)抓取到裝框機(jī)上。對(duì)于機(jī)械手、機(jī)器人所抓取到裝框機(jī)的組件，一般不對(duì)其進(jìn)行規(guī)正處理，這是因?yàn)闄C(jī)械手、機(jī)器人的控制程序可精準(zhǔn)保證組件處于裝框機(jī)中心。而通過(guò)傳輸帶傳輸?shù)窖b框機(jī)的組件，由于存在傳輸過(guò)程的種種誤差，組件至裝框機(jī)中心時(shí)，往往存在較大的偏心誤差，因此，需由裝框機(jī)中的規(guī)正機(jī)構(gòu)自動(dòng)將組件的中心調(diào)整到與裝框機(jī)中心重合的位置。組件規(guī)正準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到組件外觀及其內(nèi)在質(zhì)量。從組件封裝工藝及外觀質(zhì)量要求上講，組件的中心必須與裝框機(jī)的設(shè)計(jì)中心、裝配中心相互重合，使電池片距離鋁邊框內(nèi)側(cè)尺寸相等。由于在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工藝中，電池片的鋪設(shè)、焊接、定位均存在一定的誤差，這樣就對(duì)裝框機(jī)的規(guī)正提出了更嚴(yán)格的要求。

標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)電池組件被封裝于鋁合金邊框的密封槽時(shí)，組件玻璃距型材的側(cè)隙尺寸應(yīng)相等(圖1)，只有這樣，組件玻璃的中心A與裝框體的中心A'才能相互重合，使組件固化于鋁合金邊框的密封槽內(nèi)。同理，倘若組件玻璃中心A與裝框體的中心A'不重合，即產(chǎn)生位移偏心量△S，組件裝框后其玻璃偏向一側(cè)(圖2)。這種組件非居中的現(xiàn)象是一種特例，是組件玻璃與型材密封槽預(yù)留側(cè)間隙不盡相等所致，這樣的缺陷組件不但外觀存在質(zhì)量問(wèn)題，而且還嚴(yán)重影響組件的封裝強(qiáng)度，大大降低組件“抗風(fēng)、雪壓”的能力。

上述情況若發(fā)生在采用羅曼膠帶封裝工藝時(shí)，由于組件與裝框中心的偏離，使合框的組件一端深陷槽內(nèi)，而另一端的羅曼膠帶外溢于邊框密封槽之外，導(dǎo)致組件缺陷，如圖3所示。

圖1

圖2

圖3

依據(jù)組件封裝工藝要求，通過(guò)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，筆者先后設(shè)計(jì)開發(fā)了中心規(guī)正機(jī)構(gòu)、等力規(guī)正機(jī)構(gòu)和不等力規(guī)正機(jī)構(gòu)。

1 中心規(guī)正機(jī)構(gòu)

所謂中心規(guī)正，實(shí)際是組件運(yùn)輸至裝框機(jī)中心時(shí)，組件的兩組長(zhǎng)邊和兩組短邊同時(shí)推動(dòng)組件，迫使組件的長(zhǎng)、短邊的中心位置與裝框機(jī)中心重合。典型中心規(guī)正機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當(dāng)組件從輸入端傳遞至裝框機(jī)中心時(shí)，組件自動(dòng)停止運(yùn)輸，此時(shí)中心規(guī)正機(jī)構(gòu)中的作用氣缸帶動(dòng)齒條1向圖示箭頭A方向移動(dòng)。由于設(shè)計(jì)決定，中心齒輪與齒條1、齒條2為永久嚙合對(duì)，因此，中心齒輪也驅(qū)動(dòng)齒條2向圖示箭頭B方向移動(dòng)，齒條1、2移動(dòng)距離相等而方向相反，齒條1、2帶動(dòng)其一體的規(guī)正板，致使限位柱推動(dòng)組件使其調(diào)控在裝框機(jī)中心位置，使組件上的規(guī)正力F1=F2，實(shí)現(xiàn)了組件L1=L2的規(guī)正目的。

圖4 典型中心規(guī)正機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

中心規(guī)正機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是:重復(fù)定位精度準(zhǔn)確，同步性好，規(guī)正工作可靠。但切換組件規(guī)格時(shí)，往往調(diào)整比較困難。

2 等力規(guī)正與不等力規(guī)正機(jī)構(gòu)

從力學(xué)角度分析等力規(guī)正與不等力規(guī)正的區(qū)別。等力規(guī)正機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 等力規(guī)正機(jī)構(gòu)受力圖

當(dāng)組件傳輸至裝框機(jī)中心后，由裝框機(jī)中的萬(wàn)向球支撐組件。組件長(zhǎng)度方向A的兩端分別設(shè)有規(guī)正氣缸，從圖5不難看出，施加于組件兩端的規(guī)正力F大小相等、方向相反，作用在同一點(diǎn)上。在設(shè)計(jì)及調(diào)試中，為保證組件相對(duì)于裝框機(jī)中心O～O'的位置精度，必須對(duì)左、右氣缸位移距離S1與S2定位設(shè)計(jì)，以保證組件滿足的規(guī)正條件為:L1=A/2；L2=A/2。

等力規(guī)正調(diào)試較繁瑣，其S1與S2尺寸不可能絕對(duì)等同，若當(dāng)調(diào)試尺寸S1＜理論尺寸S1，即左規(guī)正氣缸先運(yùn)行至盡頭后，即使右規(guī)正氣缸S2尺寸精準(zhǔn)，右規(guī)正氣缸也無(wú)法推動(dòng)組件達(dá)到其相對(duì)中心位置。這是因?yàn)樽笠?guī)正氣缸與右規(guī)正氣缸施加給組件的力為作用力與反作用力，只能迫使組件位移至力系平衡狀態(tài)。反之，調(diào)試尺寸S2＜理論尺寸S2時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生上述問(wèn)題。這是等力規(guī)正的弊端。

為克服上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)不等力規(guī)正機(jī)構(gòu)可使組件得以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的規(guī)正定位。不等力規(guī)正機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。當(dāng)該機(jī)構(gòu)L1=A/2，即可滿足規(guī)正要求。由于設(shè)計(jì)中采用左、右不同直徑的氣缸，使F大＞F小。當(dāng)規(guī)正時(shí)，無(wú)論大、小氣缸哪個(gè)先運(yùn)行到位，最終的位置都以大氣缸調(diào)節(jié)尺寸為準(zhǔn)。關(guān)于大、小氣缸的選擇，筆者認(rèn)為F?。綟摩擦力即可。此外，值得一提的是，F(xiàn)小的選擇不能大于擠碎組件玻璃的力。

圖6 不等力規(guī)正機(jī)構(gòu)受力圖

對(duì)比等力規(guī)正與不等力規(guī)正可以得出:等力規(guī)正為保證組件相對(duì)裝框機(jī)中心位置，需滿足L1=A/2且L2=A/2，才能滿足規(guī)正精準(zhǔn)度要求；而不等力規(guī)正，只要滿足L1=A/2，即可滿足規(guī)正精準(zhǔn)度要求。因此，理論上不等力規(guī)正優(yōu)于等力規(guī)正，實(shí)踐證明，不等力規(guī)正使用效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于等力規(guī)正。

三 太陽(yáng)電池組件裝框機(jī)的校平機(jī)構(gòu)

組件進(jìn)行裝框時(shí)，為使組件精準(zhǔn)的插入邊框型材的密封槽內(nèi)，需由裝框機(jī)中的校平機(jī)構(gòu)對(duì)組件玻璃進(jìn)行校平，使其緊密貼合于裝框機(jī)共面體上，以達(dá)到組件與型材槽口的準(zhǔn)確對(duì)接，實(shí)現(xiàn)裝框的可靠性。國(guó)內(nèi)大多采用固定式或可調(diào)試吸盤校平機(jī)構(gòu)，而國(guó)外大多采用只適合一種規(guī)格的固定式吸盤或吸浮平臺(tái)式校平機(jī)構(gòu)。前者更換組件規(guī)格時(shí)需反復(fù)調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，由于吸盤不能隨組件規(guī)格的變化而自身隨動(dòng)，使組件校平產(chǎn)生“盲區(qū)”，直接影響組件溢膠效果和裝框的可靠性；而后者，只適合單一品種的生產(chǎn)，不能拓寬設(shè)備的利用率。

針對(duì)上述弊端，我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了組件隨動(dòng)吸盤校平機(jī)構(gòu)，消除了常規(guī)裝框機(jī)校平“盲區(qū)”的問(wèn)題，使組件玻璃整體校平，共面性精度大大提高。

圖7為典型隨動(dòng)吸盤式裝框機(jī)結(jié)構(gòu)圖。位于裝框機(jī)兩側(cè)的隨動(dòng)吸盤，當(dāng)其作用氣缸接收電控指令后，分別向左、右各工進(jìn)(位移)60mm，使之預(yù)先到達(dá)合框位置。與此同時(shí)，上道工序傳輸?shù)窖b框機(jī)中心的組件，已規(guī)正完畢。傳輸帶帶動(dòng)組件下落，使組件玻璃面被6組吸盤吸合，組件和吸盤、萬(wàn)向球呈共面位置，組件對(duì)應(yīng)其邊框密封槽口。Y方向的兩組長(zhǎng)邊框和X方向的兩個(gè)短邊框，先后各自工進(jìn)60mm至合框后組角體位置。在上述裝框過(guò)程中，隨動(dòng)吸盤無(wú)外力干擾，始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，使邊框幾何尺寸與玻璃精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，為合框的可靠性、溢膠的均勻性奠定了基礎(chǔ)。

裝框機(jī)隨動(dòng)吸盤機(jī)構(gòu)單元圖如圖8所示。選擇的真空吸盤直徑為80mm，其定位面可左、右旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)上、下微調(diào)，每個(gè)刻度可微量移動(dòng)0.12mm。裝框機(jī)進(jìn)入合框前氣缸推動(dòng)支板預(yù)先位移60mm，當(dāng)裝框時(shí)真空吸盤所產(chǎn)生的理論吸吊力達(dá)301.4N，此力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)軌與滑塊的摩擦阻力。所以在組件玻璃呈靜止?fàn)顟B(tài)下，其裝框機(jī)仍可自如合框。裝框完成后機(jī)構(gòu)回退，此時(shí)原60mm預(yù)留空間為零，為下一個(gè)裝框循環(huán)的初始狀態(tài)。

圖7 典型隨動(dòng)吸盤式裝框機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖8 裝框機(jī)隨動(dòng)吸盤機(jī)構(gòu)單元圖

隨動(dòng)吸盤的校平機(jī)構(gòu)，解決了各組件封裝廠家因組件彎曲而帶來(lái)的裝框受阻、組件破碎、裝框機(jī)不能連續(xù)作業(yè)及影響流水線作業(yè)節(jié)拍等瓶頸。

四 太陽(yáng)電池組件裝框機(jī)的壓角機(jī)構(gòu)

近年來(lái)，隨著太陽(yáng)電池組件封裝質(zhì)量的不斷升級(jí)，部分組件生產(chǎn)企業(yè)將組件四角的措角量納入質(zhì)量控制范圍，規(guī)定其措角量≤0.2mm的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。所謂措角，實(shí)際是指組件裝框后其四角端面是否呈水平一致，邊框角分線是否出現(xiàn)上、下措位的臺(tái)階。

為配合這一要求，裝框機(jī)引入了壓角機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。常規(guī)的壓角機(jī)構(gòu)，大多由設(shè)計(jì)者選擇通用的旋轉(zhuǎn)氣缸或油缸等專用機(jī)構(gòu)，工作時(shí)壓頭旋轉(zhuǎn)至邊框四角部位，然后對(duì)其施加壓力，使邊框四角壓平。由于旋轉(zhuǎn)氣缸受結(jié)構(gòu)制約其缸徑受限，故壓角作用力很小，一般僅為5MPa左右，而旋轉(zhuǎn)油缸雖能將壓角作用力大大提高，但所配置液壓站價(jià)格較高， 且結(jié)構(gòu)繁瑣，易漏油污染，占地面積大。為尋求一種壓角力均衡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、使用可靠的壓角機(jī)構(gòu)，筆者運(yùn)用相關(guān)理論，經(jīng)受力分析類比等方法，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了增力式壓角機(jī)構(gòu)，取代原常規(guī)壓角機(jī)構(gòu)。

圖9為增力式壓角機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)構(gòu)采用D=63mm的鉸軸氣缸，氣缸支板與組角座聯(lián)接成一體，氣缸桿端鉸軸孔與增力搖臂孔通過(guò)上鉸軸連接構(gòu)成活動(dòng)鉸鏈，氣缸的下支撐安裝孔與氣缸支撐板上的安裝孔相對(duì)應(yīng)，通過(guò)下鉸軸連接構(gòu)成另一活動(dòng)鉸鏈?；瑒?dòng)套與支座是一體聯(lián)接體，固定于組角座上?；瑒?dòng)套內(nèi)裝有隨動(dòng)柱和復(fù)位簧。支座孔與增力搖臂支撐孔對(duì)應(yīng)，通過(guò)銷軸A連接構(gòu)成定軸轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)。增力搖臂上的滾輪對(duì)應(yīng)于隨動(dòng)柱上端面構(gòu)成壓轉(zhuǎn)摩擦副。當(dāng)向型材四角施壓時(shí)，氣缸接通電源，氣缸桿推動(dòng)增力搖臂繞其支座中心A順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，于是滾輪向隨動(dòng)柱施力，使隨動(dòng)柱克服復(fù)位彈簧阻力沿滑動(dòng)套下移，將壓力作用到型材四角迫使其共面。當(dāng)施力完成后，氣缸桿帶動(dòng)上述機(jī)構(gòu)復(fù)位，同時(shí)隨動(dòng)柱在其復(fù)位彈簧作用下回至與滾輪接合的位置，即完成一次壓角工藝過(guò)程。

圖9 增力式壓角機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)構(gòu)利用杠桿機(jī)理使壓角作用力大大提高，是普通氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓角作用力的5倍以上，且最大限度地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了壓角的可靠性及其工作效率。