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(guī)格尺寸比較大，生產(chǎn)過程中存在人力勞動強(qiáng)度大，堆垛難度高，生產(chǎn)效率低。針對此問題，文章設(shè)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(jī)械手，來完成光伏組件生產(chǎn)線中光伏組件的堆垛。文章設(shè)計的機(jī)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(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)的成本，并很好的解決了太陽能光伏組件在生產(chǎn)過程中存在的一些安全問題，實現(xiàn)了光伏組件生產(chǎn)的自動化及規(guī)?；?。

關(guān)鍵詞：光伏組件;碼垛機(jī)械手;設(shè)計

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)自動化的普及和微電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手作為一種自動化設(shè)備，機(jī)械手的應(yīng)用逐漸普及，在汽車、電子、機(jī)械加工等行業(yè)起著重要的作用[1]，在生產(chǎn)線上下料和搬運作業(yè)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(xiàn)生產(chǎn)的自動化，在現(xiàn)在生活中扮演著重要的角色。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，碼垛機(jī)器人技術(shù)也不斷提高，碼垛機(jī)械手適應(yīng)性強(qiáng)、智能化程度高、操作范圍大、不受環(huán)境限制[2]，目前在各行各業(yè)的生產(chǎn)線都能看到碼垛機(jī)器人的身影[3-4]。

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

2 碼垛機(jī)械手方案設(shè)計

2.1 碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成

光伏組件生產(chǎn)線碼垛機(jī)械手，豎直方向采用齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)，水平方向采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。機(jī)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(xiàn)光伏組件的抓取和放置。機(jī)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(jī)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(shè)計的碼垛機(jī)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(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2.2 碼垛機(jī)械手控制流程

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

啟動后，位置傳感器進(jìn)行工件位置檢測，當(dāng)工件到達(dá)指定位置，機(jī)械手開始下降;下降到達(dá)指定位置，機(jī)械手部的氣缸組伸出，機(jī)械手抓緊工件;機(jī)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(jī)械手下降，下降到指定位置，氣缸組縮回，松開工件;然后機(jī)械手回到初始位置，準(zhǔn)備下一次的抓取，進(jìn)行光伏組件的堆垛。

3 機(jī)械手手部的設(shè)計計算

3.1 手部框架的設(shè)計

由于本文設(shè)計的光伏組件碼垛機(jī)械手抓取的光伏組件規(guī)格為1640×992×40mm，重量為45.325N。尺寸和重量較大及設(shè)計的機(jī)械手本身應(yīng)不能過于笨重，故機(jī)械手的手部框架可采用4080型工業(yè)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(jī)構(gòu)的設(shè)計

由本文設(shè)計的碼垛機(jī)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(shù)mn=2.5，齒輪齒數(shù)Z=24。齒輪材料選用40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度250～280HBW，精度等級7級;齒條材料選用45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度240HBW，精度等級7級。

3.3 絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)的選型計算

3.3.1 工作載荷計算

3.3.3 絲杠螺母規(guī)格型號選取

根據(jù)最大動載荷FQ和初選的絲杠導(dǎo)程，初選啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL系列5010型滾珠絲杠副，該絲杠為浮動反向器內(nèi)循環(huán)式雙螺母滾珠絲杠副，其公稱直徑為50mm，導(dǎo)程為10mm，額定動載荷為30.2kN，大于 FQ，滿足要求。經(jīng)剛度和穩(wěn)定性校核初選復(fù)合要求。另外，步進(jìn)電動機(jī)的型號為130BYG2502，經(jīng)計算校核滿足要求。

3.4 電氣控制的設(shè)計

3.4.1 電氣元件選型

本文設(shè)計的碼垛機(jī)械手電氣控制采用的是可編程控制器PLC，輸入點數(shù)為22點，輸出點數(shù)為8點，選擇西門子PLC S7-200 CPU226，交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器的選擇110SY-M04030交流伺服電動機(jī)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(jī)械手電器控制

圖4所示為本次設(shè)計的光伏組件碼垛機(jī)械手的電氣原理圖，兩個電機(jī)的驅(qū)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(tǒng)進(jìn)行過載保護(hù)。

4 結(jié)束語

機(jī)械手是自動化生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上的重要自動化裝置，屬于典型的機(jī)電一體化高新科技產(chǎn)品，在工業(yè)自動化中得到廣泛的應(yīng)用。為解決光伏組件的自動搬運碼放問題，本文設(shè)計了碼垛機(jī)械手，可以很好的解決生產(chǎn)中的這些問題，具有高精度，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了光伏組件生產(chǎn)的自動化，提高了生產(chǎn)的效率。

參考文獻(xiàn)：

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