伸縮式機械手結構分析與研究

嚴雪冬，張武學

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京 101601)

單晶硅太陽能電池是當前廣泛應用的一種太陽能電池，不同行業(yè)和領域的電池片尺寸各不相同，故需進行相應的變型設計來實現高效穩(wěn)定的印刷。伸縮式機械手是印刷電池片傳輸的重要部件，其工作時，通過機械手臂深入電池片底面，經過兩根平皮帶移動，將存放在料盒中的電池片取出，然后隨兩根同步運行的平皮帶移動到下一個工位。料盒間歇下降1個片距，平皮帶連續(xù)轉動進行傳片，直到料盒中的電池片全部傳出，整個過程要求取片的速度均勻且電池片移動不能有太大偏斜。

1 伸縮式機械手主要結構

伸縮式機械手主要包括機械手臂、機械手臂驅動機構和印刷電池片傳輸機構三部分，其主體結構如圖1所示，采用2個電機分別獨立控制驅動和傳輸機構。

1.1 機械手臂

如圖2所示，直線導軌安裝在導軌底板上，起導向作用，連接板與直線導軌滑塊固定連接，上托板與連接板通過內六角螺釘連接。

圖1 伸縮式機械手主體結構圖

圖2 機械手臂示意圖

1.2 機械手臂驅動機構

機械手臂驅動機構工作原理如圖3所示，電機帶動同步帶輪旋轉，驅動架隨同步帶左右移動，依靠電機架左移張緊同步帶。電機安裝在電機架上，電機架通過內六角螺釘與前立板固定連接，通過下壓帶板，將水平同步帶與驅動架固定，水平同步帶另一端裝有惰輪，惰輪通過惰輪軸與惰輪軸座固定連接。

圖3 機械手臂驅動機構主體示意圖

1.3 印刷電池片傳輸機構

電池片傳輸機構主要包括平皮帶，主體框架，傳輸機構主體和相關連接、張緊結構。

1.3.1 平皮帶

平皮帶選用聚酯纖維材質，高伸縮性無縫編布環(huán)狀結構，繞行如圖4所示。

圖4 平皮帶繞行示意圖

1.3.2 主體框架結構

前后立板與底板、固定板和導軌底板，通過內六角螺釘進行固定連接，形成口字型框架結構。底板和固定板留有定位凸臺，方便主體框架裝配，并且能夠保證前后立板的間距，如圖5所示。

圖5 主體框架結構示意圖

1.3.3 印刷電池片傳輸機構主體

電機2驅動帶輪旋轉，通過同步帶驅動主動軸旋轉，安裝在主動軸上的平皮帶輪，利用摩擦力，帶動繞在后平皮帶輪、前小帶輪、中小帶輪、平帶輪、張緊帶輪上的平皮帶，主同步帶通過電機板向下運行張緊，圖6為傳輸機構主體示意圖。

1.3.4 平皮帶的張緊

張緊座固定在前后立板內側面，張緊軸在前后立板長槽內滑動，通過調節(jié)安裝在張緊座孔內的張緊螺釘，向右拉動張緊軸，帶動張緊帶輪向右移動，張緊平皮帶，圖7為平皮帶的張緊結構示意圖。

2 料盒

料盒一般由用戶根據印刷工藝需求定制，印刷電池片不同，工藝流程不同，料盒結構和尺寸不盡相同，圖8為印刷電池片用料盒示意圖。

3 伸縮式機械手工作原理

料盒連續(xù)上升或下降時，機械手臂處于收縮狀態(tài)；當料盒到達取片位置后，機械手臂伸入料盒內部，電池片與平皮帶上面接觸，隨平皮帶向右移動。料盒下降一個設定間距，進行下一片傳輸，直至最后一片完成傳輸，機械手臂收縮，如圖9所示。

圖6 傳輸機構主體示意圖

圖7 平皮帶的張緊結構示意圖

圖8 料盒示意圖

3.1 機械手臂伸出

電機1帶動同步帶輪逆時針旋轉，驅動架隨水平同步帶一起向左移動，機械手臂伸出，如圖10所示。

3.2 機械手臂收縮

電機1帶動同步帶輪順時針旋轉，驅動架隨水平同步帶一起向右移動，機械手臂收縮，如圖11所示。

3.3 平皮帶運動

圖9 伸縮式機械手工作原理示意圖

圖10 機械手臂伸出

圖11 機械手臂收縮

電機2驅動同步帶輪，通過同步齒形帶，帶動平皮帶輪同步旋轉。利用平皮帶與帶輪之間產生的摩擦力，帶動繞在后平皮帶輪、前小帶輪、中小帶輪、平帶輪、張緊帶輪上的平皮帶移動。

4 伸縮式機械手結構設計

4.1 平皮帶長度計算

已知條件：機械手臂行程150 mm，平皮帶寬度10 mm，厚度1 mm。機械手伸出和縮回狀態(tài)，平皮帶長度相同，經計算，平皮帶內周長度為1 395 mm，考慮到平皮帶有5%的標準拉伸率，按照經驗，平皮帶內周長度1395·(1-4%)=1339 mm，按照平皮帶長度標準，選取長度1 347 mm。

4.2 水平同步帶長度計算

選用S3M同步齒形帶，寬度10 mm。同步帶輪齒數20，節(jié)圓直徑Dp1=19.1 mm，帶輪中心距C=200 mm，同步帶長度L=πDp1+2C=459 mm，選用同步帶周長459 mm。

4.3 主同步帶長度計算

選用S3M同步齒形帶，寬度10 mm。同步帶輪齒數22，節(jié)圓直徑DP2=20.1 mm，帶輪中心距C=76 mm，同步帶長度L=πDP2+2C=216 mm，選用同步帶周長219 mm。

4.4 伸縮機械手的動作控制

采用3個光電開關來檢測和判斷相應位置，控制機械手的工作狀態(tài)，如圖12所示。在上托板左端方孔內，設置光電開關1，用于檢測料盒內有無印刷電池片；在前立板上，安裝光電開關2，通過光電彎板檢測機械手臂是否復位；在固定板上安裝光電開關3，判斷印刷電池片是否從料盒傳出，到達指定位置。

5 伸縮式機械手使用范圍擴展

目前設計的伸縮式機械手，適用于156 mm×156 mm尺寸硅片的太陽能印刷線，當電池片尺寸改變時，需要對其進行相應的調整，進行變型設計。

圖12 伸縮機械手的位置開關

5.1 小尺寸電池片

印刷小尺寸電池片時，機械手平皮帶的寬度、長度和間距尺寸需要相應的減小，整體框架隨之進行調整，如圖13所示。

圖13 小尺寸電池片機械手

5.2 帶框電池片

印刷帶框電池片時，平皮帶間距要加大，且要求框邊與平皮帶接觸，保證正確印刷；印刷大尺寸電池片時，要增加機械手行程，相應增加平皮帶長度，水平同步帶長度也要增加。同時前后立板長度尺寸也要相應加長。

5.3 長條型基片

印刷長條型基片時，平皮帶間距要加大，為保證基片傳輸穩(wěn)定，平皮帶間距一般為印刷基片長度的1/2左右，如圖14所示。

6 結束語

本文介紹的伸縮式機械手的機械結構，加工性能良好，裝配簡單，縮短了設計周期，在實際工作中已經得到驗證，為今后的設計搭建了很好的平臺。伸縮式機械手在實際應用中，穩(wěn)定性高，提高了印刷的可靠性和穩(wěn)定性，對伸縮式機械手的變型設計，拓展了絲網印刷的應用領域。