太阳电池搬运机械手运转温升对焊接栅线露白的影响

宁夏银星能源光伏设备制造有限公司 张翔卫

一 引言

太阳电池自动串焊机是太阳电池组件厂的重要生产设备。电池搬运机械手的转动通常采用同步带，由于其连续运转产生的温升，致使搬运路程随温度的升高而增加，使初始调好的焊带铺设位置与电池栅线的相对位置随机构温升而发生变化。如果机构用于纵向搬运(图1a)，将造成电池串中的电池间隔改变，最终使电池串的长度发生变化；如果用于横向搬运(图1b)，将造成电池片与预先调好的焊带位置发生变化，使焊接的电池片栅线产生露白。

图1 电池片搬运机构

二 搬运机构的搬运路程随机构运转温升而增加

机构运转温度升高来自两个环节:一是同步带轮的直径增大，传动的同步带路程增长，特别是主动轮；二是机构温升致使同步带长度变长。根据实验证实，温升源来自电机和机构运转系统(轴承及其润滑、两轴承安装的同轴度、同步带与同步带轮的接触摩擦以及两带轮的平行度等)。如图1所示，将电机与机械手传动机构隔离，机构运转温升有所降低，但轴承仍产生温度。适度润滑、提高轴承精度只能在一定程度上降低温升，而不能杜绝温升的产生。

1 同步带轮温升的后果

(1)因制造工艺的不同，串焊机所用同步带轮采用的材料各不相同，不同材料的热线胀系数也不相同，搬运机械手路程受带轮温升的影响可表示为:

其中:αL为材料热线胀系数[1]；d为带轮节圆直径，mm；t为温升，℃；N为常温下定额行程长度上带轮转动周数；L为移动增长，mm。

试验采用宁夏小牛自动化设备公司的CH23112串焊机，d=31.83(5M，Z=20)，焊前电池搬运机械手搬运行程的长度为324mm，则324mm长度上带轮转动周数为:

带轮选用不同的材料会有不同的结果。采用铝合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢、45号碳钢和灰铸铁四种材料，机构温升后的搬运机械手路程增长曲线如图2所示。

(2)使用铝合金带轮进行连续运转试验时，证实连续运转0.5h温度升高12℃(没有达到稳定温度的程度)，与计算结果吻合。

2 同步带温升的后果

同步带为硬橡胶，其线膨胀系数αL为64×10−6～77×10−6/℃，取其中间值58×10−6/℃。同步带LZC为870mm。机构温升后同步带增长可表示为:

其中:LZC为同步带周长，mm；LZ为同步带周长，mm。

图2 不同材料在不同温度下运转行程增长曲线图

则机构温升后同步带增长LZ为:

机构运转不同温升对同步带增长LZ的影响见表1。

表1 不同温升下同步带增长LZ值

3 分析

机构运转时，机械运动零件表面摩擦产生热量，导致同步带轮温度升高、直径增大，在转动圆周数不变的情况下周长增加，造成搬运电池片的位置发生变化。在纵向搬运场合下(图1a)，不同温度条件下，致使焊接的电池串长度不同；在横向搬运场合下(图1b)，产生焊接露白。

同步带随温度的升高而增长，但不会导致搬运电池片路程的增长，却可使同步带的张紧力变松，其行程仍受圆弧齿同步带轮控制。如果松到一定程度，可能会造成电池片搬运定位的非系统误差，降低电池位置精度。

三 问题的解决

搬运机构的搬运路程随机构运转温升而增加，在尊重原结构的条件下，解决方案为:

(1)运用温度传感器，随机测得温升，用软件补偿传动机构，消除影响

这一方案的不足之处为:可解决机械手搬运长度的补偿，但不能解决同步带的增长问题。这样，同步带张紧力变松所产生的电池片定位误差无法消除；对于运转的同步带轮，需使用不接触的温度传感器，受各种条件和环境的限制，缺乏可操作性。

(2)采用物理降温与减短测量搬运路程长度的方法(图3)

经过试验，选用合适的轴流风机，安装合适的角度和距离，将同步带轮运转温升控制在10℃以内是完全可实现的；另外在允许的最短距离处安装一位置传感器15，电池从A处搬运到B处，经过C处传感器15测得电池前沿，发令计算至B点位置距离定位。由于L2＜L1，因此，10℃温升引起的偏差可计算出来。

图3 改进后的示意图

从图2中得知，将同步带轮的材质由铝合金改成铸铁后，温升10℃时L1(324mm)搬运路程增长0.1mm，L2按170mm来计算，则L2搬运路程增长为:

此偏差在允许露白0.3mm的1/6的范围内，满足了机构误差分配的原则。

如果有必要，也可采取与其相关的技术措施，如:提高轴承本身的精度等级；提高两支轴承安装的同轴精度；改善轴承润滑技术；精确核算同步带载荷及寿命，尽量使用满足需要更窄的同步带，减少接触面积；正确调整同步带的张紧力；装配过程精心调整同步带两带轮的平行度和同一平面度，减少运转时的微观摩擦。

四 结论

上述技术措施的实施，有效地控制了机器运转所产生的热量，降低了机构连续运转的温升程度，消除了由此产生的系统误差所造成的后果。

(1)由此因素引起的电池片焊接露白现象已消除。改进后的机构，用于电池串焊接电池的搬运时，同样提高了电池的间隔精度和电池串全长的精度。

(2)同步带轮的主动轮选用热线张系数小的材料制造，是非常有效的重要措施，但是，被动的同步带轮则相反，需要选用线胀系数大的材料，用来补偿部分同步带温升增长后的张紧力。

[1]成大先. 机械设计手册(第五版)[M]. 北京:化学工业出版社,2008.