光伏组件生产线码垛机械手的设计

李红海 邵善鹏 赵旭 张校通 崔海生

摘  要：光伏组件的材料为易碎的玻璃材料，规格尺寸比较大，生产过程中存在人力劳动强度大，堆垛难度高，生产效率低。针对此问题，文章设计了一种由两组气缸，共八个气缸组成并由PLC可编程控制器控制的太阳能光伏组件码垛机械手，来完成光伏组件生产线中光伏组件的堆垛。文章设计的机械手可以很好的代替繁重的人力劳动和极大地提高了生产效率，降低了生产的成本，并很好的解决了太阳能光伏组件在生产过程中存在的一些安全问题，实现了光伏组件生产的自动化及规模化。

关键词：光伏组件;码垛机械手;设计

中图分类号：TP241 文献标志码：A         文章编号：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

隨着工业自动化的普及和微电子技术与现代控制技术的发展，机械手作为一种自动化设备，机械手的应用逐渐普及，在汽车、电子、机械加工等行业起着重要的作用[1]，在生产线上下料和搬运作业中，可以代替人力完成繁重的劳动，并可以完成人力无法完成的工作，实现生产的自动化，在现在生活中扮演着重要的角色。随着机器人技术的不断发展，码垛机器人技术也不断提高，码垛机械手适应性强、智能化程度高、操作范围大、不受环境限制[2]，目前在各行各业的生产线都能看到码垛机器人的身影[3-4]。

光伏组件的材料为易碎的玻璃材料，规格尺寸比较大，生产过程中存在人力劳动强度大，搬运与堆垛难度高，危险程度较高，因此需要设计一种结构简单、重量轻适合于专用光伏组件码垛机械手。本文设计一种码垛机械手，可以很好的解决生产中的这些问题，具有高精度，结构简单，实现了光伏组件生产的自动化，提高了生产的效率。

2 码垛机械手方案设计

2.1 码垛机械手结构组成

光伏组件生产线码垛机械手，竖直方向采用齿轮齿条传动机构，水平方向采用丝杠螺母机构。机械手部分由两组气缸，四个水平放置的推出气缸和四个竖直放置的夹紧气缸，共八个气缸组成，实现光伏组件的抓取和放置。机械手的上升和下降的运动，升降行程为1800mm，升降速度为0.2m/s，机械手的水平方向的运动，水平行程为4400mm，水平运动速度为0.5m/s。本文设计的码垛机械手的上升和下降运动采用齿轮齿条传动，水平方向的运动采用丝杠螺母传动成本相对较低，码垛机械手机构简图如图1所示。

2.2 码垛机械手控制流程

码垛机械手控制系统以 CPU226PLC为控制核心，主要硬件包括：传感器、开关电源、选择西门子PLC S7-200 CPU226、伺服驱动器、步进电动机，指示灯NXD-215，熔断器，热继电器，限位开关，磁性开关，位移传感器等，本次设计的码垛机械手流程如图2所示。

启动后，位置传感器进行工件位置检测，当工件到达指定位置，机械手开始下降;下降到达指定位置，机械手部的气缸组伸出，机械手抓紧工件;机械手抓取太阳能电池组上升，上升到最大高度，水平移动堆垛的位置，机械手下降，下降到指定位置，气缸组缩回，松开工件;然后机械手回到初始位置，准备下一次的抓取，进行光伏组件的堆垛。

3 机械手手部的设计计算

3.1 手部框架的设计

由于本文设计的光伏组件码垛机械手抓取的光伏组件规格为1640×992×40mm，重量为45.325N。尺寸和重量较大及设计的机械手本身应不能过于笨重，故机械手的手部框架可采用4080型工业铝型材，该型材的密度为2.53kg/m，手部框架重11.132kg。手部框架如图3所示。

3.2 齿轮齿条传动机构的设计

由本文设计的码垛机械手升降速度为0.2m/s，可知齿条的传动速度为0.2m/s，则齿轮的速度=0.2m/s。初取齿轮模数mn=2.5，齿轮齿数Z=24。齿轮材料选用40Cr，进行调质处理，齿面硬度250～280HBW，精度等级7级;齿条材料选用45钢，进行调质处理，齿面硬度240HBW，精度等级7级。

3.3 丝杠螺母传动机构的选型计算

3.3.1 工作载荷计算

3.3.3 丝杠螺母规格型号选取

根据最大动载荷FQ和初选的丝杠导程，初选启东润泽机床附件有限公司生产的FL系列5010型滚珠丝杠副，该丝杠为浮动反向器内循环式双螺母滚珠丝杠副，其公称直径为50mm，导程为10mm，额定动载荷为30.2kN，大于 FQ，满足要求。经刚度和稳定性校核初选复合要求。另外，步进电动机的型号为130BYG2502，经计算校核满足要求。

3.4 電气控制的设计

3.4.1 电气元件选型

本文设计的码垛机械手电气控制采用的是可编程控制器PLC，输入点数为22点，输出点数为8点，选择西门子PLC S7-200 CPU226，交流伺服电动机驱动器的选择110SY-M04030交流伺服电动机的额定功率为1.2kW，额定电压AC220V，额定电流为5.0A，其它电气元件的选择如表1所示。

3.4.2 码垛机械手电器控制

图4所示为本次设计的光伏组件码垛机械手的电气原理图，两个电机的驱动器均有外接的AC220V供电，控制器PLC S7-200 CPU226输入输出由外接的24V直流电源供电;主电路接有熔断器和热继电器，对整个系统进行过载保护。

4 结束语

机械手是自动化生产设备和自动化生产线上的重要自动化装置，属于典型的机电一体化高新科技产品，在工业自动化中得到广泛的应用。为解决光伏组件的自动搬运码放问题，本文设计了码垛机械手，可以很好的解决生产中的这些问题，具有高精度，结构简单，实现了光伏组件生产的自动化，提高了生产的效率。

参考文献：

[1]梁礼群.自动化生产线搬运机械手设计研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018（04）：162-164.

[2]成慧翔，张虎，刘攀，等.智能码垛机械手控制系统的设计[J].现代农业装备，2019，40（02）：47-49+76.

[3]张慎靖，付晓先.码垛机械手在润滑油行业的应用[J].石油商技，2019，37（03）：80-83.

[4]于复生，祝凯旋，张华强.基于单片机控制的玻璃管搬运机械手设计[J].制造技术与机床，2019（01）：64-67.