新型太陽(yáng)能電池板超聲波焊接機(jī)設(shè)計(jì)

□ 周 晶 □ 江 新 □ 徐東建

1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 廣東東莞 523808

2.東莞三星電機(jī)有限公司 廣東東莞 523413

3.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 武漢 430073

超聲波焊接是太陽(yáng)能電池板加工過(guò)程中的一道必要工序，當(dāng)前業(yè)界大多采用半自動(dòng)的焊接方式，以機(jī)械為主，是電氣、液壓或氣動(dòng)控制的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備。另外，貼雙面膠、貼鋁帶、超聲波焊接各部分是分開(kāi)進(jìn)行的，且這種焊接方式易受操作者的操作技能和心理狀態(tài)的影響，極易出現(xiàn)焊接不均勻、導(dǎo)電性能差、產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定等常見(jiàn)問(wèn)題。

結(jié)合市場(chǎng)需求，本文提出了一種以高性能、高穩(wěn)定、高可靠以及較低成本的PLC設(shè)備作為焊接機(jī)系統(tǒng)的核心控制部分，采用全自動(dòng)控制代替原有半自動(dòng)控制的新型焊接機(jī)。這種設(shè)備作業(yè)精度高、穩(wěn)定性好，作業(yè)效率提升4倍，極大地提升了產(chǎn)品品質(zhì)，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

1 超聲波焊接機(jī)系統(tǒng)功能

超聲波焊接機(jī)是薄膜太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)行業(yè)的主要設(shè)備之一，用于電池板的封裝環(huán)節(jié)。焊接時(shí)，利用超聲波發(fā)生器通過(guò)換能器和調(diào)幅器，由焊頭將高頻振動(dòng)能量傳遞到非晶硅玻璃板和鋁帶金屬表面，使鋁帶金屬表面和非晶硅玻璃板表面鋁膜相互振動(dòng)摩擦而形成分子層間的熔合，從而達(dá)到焊接的效果。以西門(mén)子S7-300系列PLC為基礎(chǔ)的集成控制式超聲波焊接機(jī)如圖1所示。

1.1 檢測(cè)與控制功能

系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器自動(dòng)檢測(cè)膠帶量的多少、膠帶的位置、電池板和托盤(pán)的位置及滑臺(tái)是否回歸起始原點(diǎn)的狀況，由PLC根據(jù)所測(cè)得的各種位置信號(hào)來(lái)控制鋁帶焊接機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)供電電源情況，由PLC控制在電源嚴(yán)重過(guò)壓或欠壓時(shí)停機(jī)。

1.2 焊接操作模式功能

焊接的操作過(guò)程有兩種模式：自動(dòng)操作/手動(dòng)操作。將自動(dòng)/手動(dòng)的切換開(kāi)關(guān)按到“手動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，可以按下操作面板上相應(yīng)的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)操作；按到“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，則根據(jù)相應(yīng)的控制程序進(jìn)行自動(dòng)且連續(xù)的焊接。固定電池板的滑臺(tái)可以自動(dòng)進(jìn)退、金屬滾輪自動(dòng)升降、自動(dòng)按預(yù)先編好的控制程序及軌跡行程程序進(jìn)行焊接，焊接完畢后電池板自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)工序，前端輸送帶自動(dòng)運(yùn)輸下一個(gè)工件進(jìn)入焊接工位。

1.3 顯示報(bào)警功能

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)以下情況之一時(shí)，均同時(shí)進(jìn)行聲、光報(bào)警：DC24V掉電（各種傳感器的供電電源）；軌道氣路氣壓未達(dá)到規(guī)定值；系統(tǒng)供電電源嚴(yán)重過(guò)壓或欠壓等。

2 超聲波焊接機(jī)結(jié)構(gòu)組成

超聲波焊接機(jī)包括了自動(dòng)貼膠、自動(dòng)貼鋁帶、自動(dòng)焊接鋁帶3部分，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，焊接機(jī)主要由以下5個(gè)部分組成。

▲圖1 新型超聲波焊接機(jī)

2.1 機(jī)架

機(jī)架是整臺(tái)設(shè)備的基礎(chǔ)，其支撐著焊接機(jī)全部零部件，在機(jī)架內(nèi)放置了鋁帶焊接機(jī)電氣控制系統(tǒng)和氣路控制系統(tǒng)，上置貼膠系統(tǒng)、貼鋁帶系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)，下置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC機(jī)架等。

2.2 貼膠系統(tǒng)

貼膠系統(tǒng)是工藝流程的第一部分，具有膠帶自動(dòng)粘貼、膠帶自動(dòng)回收、自動(dòng)割斷膠帶功能。雙面膠粘貼系統(tǒng)位于機(jī)架系統(tǒng)上方，首要的工作是將雙面膠與廢膠帶分離，便于雙面膠在鍍膜玻璃指定位置粘貼。其次是直線勻速運(yùn)動(dòng)粘貼雙面膠，通過(guò)伺服電機(jī)控制滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)粘貼操作。

2.3 貼鋁帶系統(tǒng)

貼鋁帶系統(tǒng)位于雙面膠粘貼系統(tǒng)與超聲波焊接系統(tǒng)之間，能實(shí)現(xiàn)鋁帶的自動(dòng)粘貼、自動(dòng)割斷、自動(dòng)傳送功能。從鋁帶盤(pán)中傳送到貼膠輪下方并壓緊，便于通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)這些傳送裝置實(shí)現(xiàn)直線貼鋁帶的操作。

2.4 鋁帶焊接系統(tǒng)

該系統(tǒng)位于貼鋁帶裝置后續(xù)操作區(qū)域，由兩個(gè)相同的焊機(jī)組成，分別位于后段電池板傳送系統(tǒng)的兩側(cè)。通過(guò)直線模組帶動(dòng)鋁帶傳輸裝置以及超聲波焊接機(jī)，實(shí)現(xiàn)鋁帶點(diǎn)焊操作的自動(dòng)焊接功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意：焊接機(jī)點(diǎn)焊之前還需對(duì)鋁帶起始點(diǎn)壓緊，同時(shí)設(shè)計(jì)鋁帶導(dǎo)向裝置以便于鋁帶焊接前準(zhǔn)確定位。

2.5 傳送系統(tǒng)

傳送裝置由4個(gè)導(dǎo)臺(tái)氣缸帶動(dòng)托架上升或下降，并由伺服電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)各傳輸輪系實(shí)現(xiàn)電池板傳送。針對(duì)3個(gè)區(qū)域，分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的定位系統(tǒng)，以便鍍膜玻璃在貼膠、貼鋁帶和焊接之前能夠準(zhǔn)確定位。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、程序設(shè)計(jì)方便靈活、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)各方面分析比較，本文采用西門(mén)子S7-300系列中的CPU315 PLC控制器。該型號(hào)PLC最大I/O點(diǎn)數(shù)為1 024，最大模擬I/O通道為128，基本位布爾運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間為0.3 μs、128K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

PLC控制系統(tǒng)主要包括基本動(dòng)作模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。基本動(dòng)作模塊主要是接收傳感器信號(hào)，結(jié)合控制信號(hào)提供貼膠、貼鋁帶、鋁帶焊接以及急停/復(fù)位等功能。參數(shù)設(shè)置模塊主要提供工作模式設(shè)置，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)完成基本動(dòng)作參數(shù)設(shè)置。PLC控制系統(tǒng)主界面如圖2所示。

▲圖2 PLC控制系統(tǒng)主界面

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于焊接部分。焊接質(zhì)量的好壞主要取決于速度v、壓力P、振幅A三要素。為了保證焊接接頭的質(zhì)量，應(yīng)在確定合適的功率后，選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。改變超聲波振幅、焊接壓力和焊接時(shí)間都會(huì)影響接頭的質(zhì)量，增大超聲波振幅、增加焊接時(shí)間，會(huì)增加接頭處的熱量，有利于得到良好的接頭。加大焊接壓力，對(duì)接頭的外觀形態(tài)將產(chǎn)生不良影響，但是在一定范圍內(nèi)有利于接頭處的結(jié)合，增大了接頭的強(qiáng)度。因此，為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，必須綜合考慮這三個(gè)要素，適當(dāng)調(diào)整各個(gè)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，本文提出的新型太陽(yáng)能電池板超聲波焊接機(jī)具有性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單及維護(hù)便利的特點(diǎn)，其定位精確、上下起停運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)快、軌跡行程精確、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無(wú)火花、焊接材料不熔融、不脆弱鋁帶金屬等特性。焊接后太陽(yáng)能板導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)接近或等于零，發(fā)光功率大，焊接時(shí)間短，無(wú)火花，安全環(huán)保。觸摸屏的操作簡(jiǎn)單、靈活、方便，不僅滿足了工藝上的要求，還提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。該機(jī)主要性能已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，具有較好的市場(chǎng)前景。

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［2］ SIEMENS Ltd.［Z］.SIMATIC S7-300 System Manual，2003.

［3］ 子華編著.PLC原理與編程實(shí)例分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

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