自動分揀光伏玻璃平臺電氣系統(tǒng)研究

陳志華，劉 泉

(北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192)

0 引言

隨著新能源技術的不斷進步和太陽能發(fā)電的大力推廣，太陽能光伏組件的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，中國已經(jīng)成為全球最大的太陽能光伏玻璃基片生產(chǎn)國之一[1]。目前，仍有少數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)光伏玻璃過程中采用人工分揀，既不能有效的分揀出合格的光伏玻璃，又增加了生產(chǎn)成本。因此，對自動化光伏玻璃基片分揀設備及控制系統(tǒng)研究顯得尤為重要。

目前，我國玻璃生產(chǎn)碼垛機器人結(jié)構(gòu)主要采用直角坐標型和關節(jié)型[2]。懸掛式玻璃取片機屬于直角坐標型，應用到工業(yè)生產(chǎn)中，其不足之處在于占用空間大，靈活度不高；關節(jié)型多自由度機器人控制過程復雜，其末端采用向下吸取方式，不僅使得路徑規(guī)劃變得更加復雜，而且價格昂貴且維護成本高，分揀過程中一旦路徑設計不精確，很容易造成玻璃的破損[3]；此外，下片機和輥道一體化形式碼垛機器人，這種機器人缺陷在于下片機對輥道易產(chǎn)生共振，且兩者速度不協(xié)調(diào)易導致玻璃被壓碎將會造成巨大損失。

本設計的自動分揀光伏玻璃平臺控制系統(tǒng)很好地解決了這些問題，最終目的是使光伏玻璃基片生產(chǎn)效率和分揀速度得到顯著的提高，而翻轉(zhuǎn)機械手的控制在其中扮演著非常重要的角色。翻轉(zhuǎn)機械手分揀光伏玻璃創(chuàng)新點和優(yōu)點：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擠壓破損，而且必須要求能夠滿足匹配前段生產(chǎn)設備的生產(chǎn)速度，在玻璃分揀過程中，不影響后段玻璃正常傳輸和運行；②分揀機械手與輥道分離式，結(jié)合伺服控制和直線導軌，實現(xiàn)精確平穩(wěn)直線進給運動，同時滿足設備占地空間小、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、生產(chǎn)效率高、自動化程度高的要求。

1 光伏電池基片分揀平臺的搭建

自動分揀光伏玻璃平臺(如圖3所示)由兩大部分組成：光伏玻璃傳輸平臺(如圖1所示)，光伏玻璃自動分揀機械手(如圖2所示)。

首先，光伏玻璃傳輸平臺主要由輥道、軸承支座、直錐齒輪、聯(lián)軸器、鏈條以及步進電機組成。一端由支座支撐著輥道，另一端由電機驅(qū)動，通過鏈條、聯(lián)軸器以及直錐齒輪來帶動整個傳輸平臺的輥道轉(zhuǎn)動。

圖1 光伏玻璃傳輸平臺

圖2 光伏玻璃自動分揀機械手

圖3 自動分揀光伏玻璃平臺

其次，光伏玻璃分揀機械手的主要作用是將合格的光伏玻璃基片從傳輸線上升起、吸附、翻轉(zhuǎn)，堆垛入庫，將不合格的產(chǎn)品繼續(xù)傳送到下一工位處理。分揀機械手主要由底座、吸盤臂、吸盤、軌道、連桿、氣缸、齒輪、齒條、減速器、執(zhí)行電機等組成。水平方向移動是靠導軌系統(tǒng)完成的，導軌、齒條固定在翻轉(zhuǎn)機底座上，滑塊與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)相固定,而減速器及齒輪固定在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上，伺服電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪齒條機構(gòu)在滑塊上運行，完成翻轉(zhuǎn)機前后精確定位和移動。翻轉(zhuǎn)方向采用四連桿機構(gòu)傳動，由步進電機轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，進而通過連桿帶動吸盤臂擺動，完成翻轉(zhuǎn)動作。

2 氣動回路系統(tǒng)設計

本文設計的自動分揀光伏玻璃平臺末端真空吸盤抓取玻璃的氣動回路原理圖如圖4所示。

圖4 氣動回路原理圖

光伏玻璃基片經(jīng)清洗機清洗之后，對光伏玻璃基片傳輸路徑進行合理規(guī)劃并編碼，然后進行玻璃檢測，不合格的玻璃進入下一個工位進行加工處理，合格的玻璃被傳輸?shù)街付ǖ奈恢茫數(shù)竭_指定位置時觸發(fā)相應傳感器，傳感器發(fā)出反饋信號或者指令給主控制器，主控制器再給出相應的指令來控制氣動回路。

如圖4所示，整個氣動回路的動力來源與空氣壓縮機，氣體經(jīng)過氣動三聯(lián)件進行過濾處理(除去氣體中的水、灰塵、油漬)，然后通過調(diào)節(jié)連接在C1、C2上的調(diào)壓閥，使得進口的壓力和調(diào)節(jié)到滿足氣缸伸縮的工作壓力值；三位五通換向電磁閥YV1、YV2左右通斷電，控制著氣缸的伸縮，當處于中位時，氣缸處于靜止狀態(tài)；另外，當真空吸盤接觸到合格光伏玻璃時，真空發(fā)生器可以將空氣壓縮機提供的正氣壓轉(zhuǎn)換為所需要的負壓力值，然后通過主控制器控制兩位兩通換向電磁閥YV3換向，最終把合格的光伏玻璃碼放在碼垛上，達到分揀光伏玻璃的目的(其中，C1、C2為控制分揀機械手翻轉(zhuǎn)氣缸及控制吸盤小臂升降氣缸，YV1、YV2為控制氣缸C1、C2運動的電磁閥，YV3為控制吸盤吸氣吹氣的二位二通電磁閥，Z1～Z6為真空發(fā)生器，X1～X6為真空吸盤)。

2.1 氣缸的選型

氣缸作為氣動控制回路系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，本文設計中采用直線運動類型氣缸[4]。根據(jù)光伏玻璃基片的尺寸和重量，計算氣缸參數(shù)如下：氣缸采用LG系列氣缸_LG50-100-15，缸徑50mm，最大行程200mm，工作壓力0.04～0.98MPa[5]。

2.2 氣動元器件的選型

圖5 電控柜實物圖

本文設計的自動分揀平臺所選用空氣壓縮機品牌是：OUTSTANDING，型號為：750W-30L。氣動回路中其他主要相關元器件型號分別為：過濾減壓閥型號為AFC2000，三位五通電磁換向閥型號為AIRTAC4V230C-08，二位二通電磁換向閥為德力西4V210-08，消音器型號為kamoer消音器?？諝膺^濾器、減壓閥、三位五通電磁閥、二位二通電磁閥都安裝在電柜背后，方便氣動回路連接。氣動回路實物圖如圖5所示。

2.3 吸盤真空度計算

圖3中，吸盤臂上安裝6個吸盤，吸盤直徑為：

(1)

在式(1)[7]中，G是玻璃自身重力，單位N；t是安全系數(shù)，在玻璃水平吸附時，t≥4，玻璃垂直吸附時，t≥8；n為洗盤的個數(shù)；P為吸盤真空度，單位為MPa；R是吸盤直徑，單位mm。

試驗中，一塊玻璃的平均重力G=3.50N，單個吸盤直徑R=160mm，因此在水平吸附和垂直吸附下，吸盤的真空度分別為：

(2)

(3)

吸盤臂上的6個吸盤真空度P應該取最大真空度pmax(即真空泵)的40%-60%之間，既保證了吸盤能夠吸附，又能隨時控制吸盤松開。

3 氣動回路控制系統(tǒng)設計

圖6 控制分揀機的直流伺服電機等效簡圖

電控柜里集成了絕大部分的電氣元器件，是電氣控制系統(tǒng)元件的集成地，控制著整個光伏玻璃分揀平臺，其實物圖如圖6所示。

電控柜的主要組成包括以下部分：三菱PLC、主機、電控模塊、電磁閥、繼電器、變頻器、接觸器、伺服電機驅(qū)動器及放大器、步進電機驅(qū)動器等等[9]。

3.1 PID算法控制伺服電機

分揀機械手水平移動是靠導軌系統(tǒng)(圖3可見)完成的。導軌、齒條與翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的底座固定，滑塊與上面的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)相固定,而減速器及齒輪固定在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上，伺服電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪齒條機構(gòu)在滑塊上運行，從而完成前進后退動作，伺服電機精確控制滑塊移動行程，以此來實現(xiàn)精確定位和移動[6]。因此，對分揀設備水平移動平穩(wěn)性研究具有重要的意義。

圖7是控制分揀機的直流伺服電機等效簡圖。其中，U—輸入電壓，R—是阻值，L—電感，J—轉(zhuǎn)動慣量，W—轉(zhuǎn)角，f—阻尼系數(shù)，M—電機轉(zhuǎn)矩。

圖7 伺服電機等效示意圖

根據(jù)牛頓第二定律及基爾霍夫定律[8]，對圖7示意圖列出方程組：

(4)

經(jīng)過來普拉斯變換法，消除中間變量，得到傳遞函數(shù)為：

(5)

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

分揀機在分揀過程中，伺服電機起驅(qū)動作用，分揀機運動位置的精確性和速度的準確性都十分重要，因此，電機控制上采用PID閉環(huán)控制[10-11]，經(jīng)過調(diào)試，最終確定比例P、積分I、微分D三部分參數(shù)分別為14、20、0.2，利用Simulink仿真軟件，設置環(huán)境參數(shù)[12]，搭建仿真模型見圖8，仿真結(jié)果如圖9響應曲線。

圖8 PID控制模型圖

圖9 PID控制階躍響應圖

3.2 光伏玻璃分揀平臺工作原理

光伏玻璃分揀平臺主要分為A、B兩段，A段只要是傳輸部分，B段位翻轉(zhuǎn)堆垛部分。其傳輸線如圖10所示。

圖10 傳輸線示意圖

光伏玻璃基片經(jīng)過清洗工位后，經(jīng)SP0傳感器檢測到位，并將信息傳遞給控制器(PLC)，控制器發(fā)出指令，控制電機M1啟動，A段傳輸輥道開始傳輸；當光電傳感器SP1檢測到光伏玻璃基片時，SP1發(fā)送信號給PLC，PLC此時根據(jù)內(nèi)部程序，判斷翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的位置，若不在正確位置，伺服電機SM1、電機M2和氣缸AC2調(diào)整翻轉(zhuǎn)歸位，準備下一步動作；光電傳感器SP2用來定位光伏玻璃基片的位置，當SP2檢測到光伏玻璃基片時，可以認定光伏玻璃基片已經(jīng)全部位于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上方，這時，電機M1準備停止；當基片碰觸微動行程開關SQ1、SQ2時，基片完全到位，電機M1立即停止，SP1、SP2、SQ1、SQ2形成與關系，同時滿足方可進入翻轉(zhuǎn)堆垛流程。

SP1、SP2、SQ1、SQ2的與關系同時滿足時。此時氣缸動作，帶動小臂上拉，小臂上拉限位開關B5動作，使小臂上升到設定位置，電磁閥動作，真空泵啟動，吸盤吸氣，當真空達到預先設定的值后，吸盤接觸到基片開關B8動作，吸盤完全吸住基片；2s后，導軌電機SM1啟動，帶動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)后退；后退接近開關B2動作，導軌電機停止，后退限位開關B11動作，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)到達設定的位置；2s后，氣缸動作，帶動小臂回落，小臂下降限位開關B6動作，下降到設定位置；2s后，曲柄搖桿機構(gòu)電機M2啟動帶動大臂翻轉(zhuǎn)，大臂下翻轉(zhuǎn)限位開關B4動作，翻轉(zhuǎn)到設定的角度停止；小臂上拉，小臂上升限位開關B5動作到達設定的位置，吸盤吹起，吸盤接觸到玻璃開關B8動作，小臂下拉，小臂下拉限位開關B6動作，2s后，大臂翻轉(zhuǎn)，大臂向上限位開關B3動作到達設定的位置，2s后，機械手前進，前進接近開關B1動作，導軌電機SM1停止，前進限位開關B10動作，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)到達設定的位置停止，恢復到初始狀態(tài)。

3.3 PID參數(shù)對樣機實驗的影響

分揀機在分揀過程中，伺服電機起到驅(qū)動作用，分揀機運動位置的精確性和速度的準確性都十分重要，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)來控制伺服電機，使得分揀平臺在直線進給運動達到穩(wěn)定狀態(tài)，且響應時間最優(yōu)化。通過Matlab仿真且結(jié)合實際樣機實驗計算得出電機趨于穩(wěn)定運行狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)及單塊玻璃板分揀所需要的時間如表1所示。

表1 PID參數(shù)控制階躍響應時間及單板分揀時間表

4 結(jié)論

結(jié)合實際電氣控制實驗平臺及吸盤真空度計算結(jié)果，保證了自動分揀光伏玻璃基片平臺電氣控制系統(tǒng)中的末端氣動吸盤吸取玻璃基片的可行性。實際分揀實驗證明：利用智能化技術來控制電氣系統(tǒng)，有效的使得末端氣動吸盤有效的吸附光伏玻璃且平穩(wěn)碼放在碼垛上，最終實現(xiàn)分揀出合格的光伏玻璃。

分揀平臺采用PID控制方法對電氣系統(tǒng)進行控制，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，將氣動技術與PID控制相結(jié)合，能夠有效的托起、吸附光伏玻璃，且做平穩(wěn)直線進給運動，將光伏玻璃碼放到指定位置，降低了玻璃破損率，節(jié)省了分揀時間，提高了生產(chǎn)效率，達到實現(xiàn)分揀光伏玻璃的目的。

[參考文獻]

[1] 王科.新型太陽能光伏玻璃的開發(fā)[J]．科技展望，2016(6) ：188．

[2] 程啟良，于復生，王波．碼垛機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應用研究綜述[J]．機電技術，2016(2)：135-136．

[3] 張強，李康舉，趙元．五自由度特種機器人運動學分析研究[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2016(3)：40-43．

[4] 張強．料桶提升加料機構(gòu)的研究與設計[D]．南京:南京理工大學，2012．

[5] 席文清，周傳俊，王志東．一種利用直線型氣缸代替擺動型氣缸的機構(gòu)[J]．金屬加工，2015(4)：40-41．

[6] 王從宏，萬熠，王桂森．板材下料自動拾取機器人控制系統(tǒng)設計[J]．實驗室研究與探索，2017(4)：64-65．

[7] 李彥彬，閻樹田，李文濤．一種平板玻璃生產(chǎn)線上機械手吸盤的設計[J]．機械制造，2014(11)：71-72．

[8] 陳建明．自動控制理論[M]．哈爾濱：電子工業(yè)出版社，2009．

[9] 張世亮．液壓與氣壓傳動[M]．北京：中國機械業(yè)出版社，2006．

[10] 石文昭．PID控制系統(tǒng)的設計以及MATLAB仿真[J]．電子技術與軟件工程，20016(21)：109-110．

[11] Kayoko Hayashi, Toru Yamamoto. Closed-Loop Data-Oriented Design of a PID Controller[J].IFAC Proceedings Volumes，2012，45(23)：284-289.

[12] 付瑞玲，樂麗琴．基于MATLAB/Simulink的PID參數(shù)整定[J]．工業(yè)控制計算機，2013(8)：75-76．

(編輯李秀敏)