光伏組件生產線碼垛機械手的設計

李紅海 邵善鵬 趙旭 張校通 崔海生

摘 ?要：光伏組件的材料為易碎的玻璃材料，規格尺寸比較大，生產過程中存在人力勞動強度大，堆垛難度高，生產效率低。針對此問題，文章設計了一種由兩組氣缸，共八個氣缸組成并由PLC可編程控制器控制的太陽能光伏組件碼垛機械手，來完成光伏組件生產線中光伏組件的堆垛。文章設計的機械手可以很好的代替繁重的人力勞動和極大地提高了生產效率，降低了生產的成本，并很好的解決了太陽能光伏組件在生產過程中存在的一些安全問題，實現了光伏組件生產的自動化及規模化。

關鍵詞：光伏組件;碼垛機械手;設計

中圖分類號：TP241 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0086-03

Abstract： The material of photovoltaic module is fragile glass material， the specification and size is relatively large， and there are high labor intensity， high stacking difficulty and low production efficiency in the production process. In order to solve this problem， this paper designs a solar photovoltaic module palletizing manipulator which is composed of two groups of cylinders， a total of eight cylinders and controlled by PLC programmable controller to complete the photovoltaic module stacking in the photovoltaic module production line. The manipulator designed in this paper can well replace the heavy human labor， greatly improve the production efficiency， reduce the production cost， and solve some safety problems in the production process of solar photovoltaic modules. The automation and large-scale production of photovoltaic modules are realized.

Keywords： photovoltaic module; palletizing manipulator; design

1 概述

隨著工業自動化的普及和微電子技術與現代控制技術的發展，機械手作為一種自動化設備，機械手的應用逐漸普及，在汽車、電子、機械加工等行業起著重要的作用[1]，在生產線上下料和搬運作業中，可以代替人力完成繁重的勞動，并可以完成人力無法完成的工作，實現生產的自動化，在現在生活中扮演著重要的角色。隨著機器人技術的不斷發展，碼垛機器人技術也不斷提高，碼垛機械手適應性強、智能化程度高、操作范圍大、不受環境限制[2]，目前在各行各業的生產線都能看到碼垛機器人的身影[3-4]。

光伏組件的材料為易碎的玻璃材料，規格尺寸比較大，生產過程中存在人力勞動強度大，搬運與堆垛難度高，危險程度較高，因此需要設計一種結構簡單、重量輕適合于專用光伏組件碼垛機械手。本文設計一種碼垛機械手，可以很好的解決生產中的這些問題，具有高精度，結構簡單，實現了光伏組件生產的自動化，提高了生產的效率。

2 碼垛機械手方案設計

2.1 碼垛機械手結構組成

光伏組件生產線碼垛機械手，豎直方向采用齒輪齒條傳動機構，水平方向采用絲杠螺母機構。機械手部分由兩組氣缸，四個水平放置的推出氣缸和四個豎直放置的夾緊氣缸，共八個氣缸組成，實現光伏組件的抓取和放置。機械手的上升和下降的運動，升降行程為1800mm，升降速度為0.2m/s，機械手的水平方向的運動，水平行程為4400mm，水平運動速度為0.5m/s。本文設計的碼垛機械手的上升和下降運動采用齒輪齒條傳動，水平方向的運動采用絲杠螺母傳動成本相對較低，碼垛機械手機構簡圖如圖1所示。

2.2 碼垛機械手控制流程

碼垛機械手控制系統以 CPU226PLC為控制核心，主要硬件包括：傳感器、開關電源、選擇西門子PLC S7-200 CPU226、伺服驅動器、步進電動機，指示燈NXD-215，熔斷器，熱繼電器，限位開關，磁性開關，位移傳感器等，本次設計的碼垛機械手流程如圖2所示。

啟動后，位置傳感器進行工件位置檢測，當工件到達指定位置，機械手開始下降;下降到達指定位置，機械手部的氣缸組伸出，機械手抓緊工件;機械手抓取太陽能電池組上升，上升到最大高度，水平移動堆垛的位置，機械手下降，下降到指定位置，氣缸組縮回，松開工件;然后機械手回到初始位置，準備下一次的抓取，進行光伏組件的堆垛。

3 機械手手部的設計計算

3.1 手部框架的設計

由于本文設計的光伏組件碼垛機械手抓取的光伏組件規格為1640×992×40mm，重量為45.325N。尺寸和重量較大及設計的機械手本身應不能過于笨重，故機械手的手部框架可采用4080型工業鋁型材，該型材的密度為2.53kg/m，手部框架重11.132kg。手部框架如圖3所示。

3.2 齒輪齒條傳動機構的設計

由本文設計的碼垛機械手升降速度為0.2m/s，可知齒條的傳動速度為0.2m/s，則齒輪的速度=0.2m/s。初取齒輪模數mn=2.5，齒輪齒數Z=24。齒輪材料選用40Cr，進行調質處理，齒面硬度250～280HBW，精度等級7級;齒條材料選用45鋼，進行調質處理，齒面硬度240HBW，精度等級7級。

3.3 絲杠螺母傳動機構的選型計算

3.3.1 工作載荷計算

3.3.3 絲杠螺母規格型號選取

根據最大動載荷FQ和初選的絲杠導程，初選啟東潤澤機床附件有限公司生產的FL系列5010型滾珠絲杠副，該絲杠為浮動反向器內循環式雙螺母滾珠絲杠副，其公稱直徑為50mm，導程為10mm，額定動載荷為30.2kN，大于 FQ，滿足要求。經剛度和穩定性校核初選復合要求。另外，步進電動機的型號為130BYG2502，經計算校核滿足要求。

3.4 電氣控制的設計

3.4.1 電氣元件選型

本文設計的碼垛機械手電氣控制采用的是可編程控制器PLC，輸入點數為22點，輸出點數為8點，選擇西門子PLC S7-200 CPU226，交流伺服電動機驅動器的選擇110SY-M04030交流伺服電動機的額定功率為1.2kW，額定電壓AC220V，額定電流為5.0A，其它電氣元件的選擇如表1所示。

3.4.2 碼垛機械手電器控制

圖4所示為本次設計的光伏組件碼垛機械手的電氣原理圖，兩個電機的驅動器均有外接的AC220V供電，控制器PLC S7-200 CPU226輸入輸出由外接的24V直流電源供電;主電路接有熔斷器和熱繼電器，對整個系統進行過載保護。

4 結束語

機械手是自動化生產設備和自動化生產線上的重要自動化裝置，屬于典型的機電一體化高新科技產品，在工業自動化中得到廣泛的應用。為解決光伏組件的自動搬運碼放問題，本文設計了碼垛機械手，可以很好的解決生產中的這些問題，具有高精度，結構簡單，實現了光伏組件生產的自動化，提高了生產的效率。

參考文獻：

[1]梁禮群.自動化生產線搬運機械手設計研究[J].組合機床與自動化加工技術，2018（04）：162-164.

[2]成慧翔，張虎，劉攀，等.智能碼垛機械手控制系統的設計[J].現代農業裝備，2019，40（02）：47-49+76.

[3]張慎靖，付曉先.碼垛機械手在潤滑油行業的應用[J].石油商技，2019，37（03）：80-83.

[4]于復生，祝凱旋，張華強.基于單片機控制的玻璃管搬運機械手設計[J].制造技術與機床，2019（01）：64-67.