新型截開磨智能化加工單元的研究

段景波 解培玉 崔陳晨

(青島高測(cè)科技股份有限公司 山東青島266114)

目前，市場(chǎng)上用的截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)、磨拋一體機(jī)都是單臺(tái)加工棒料，然后人工搬運(yùn)到另外一臺(tái)設(shè)備加工，需要經(jīng)常調(diào)整上棒、下棒位置，操作非常不便，且勞動(dòng)強(qiáng)度高、需用操作工數(shù)量多，用這類設(shè)備的企業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越差，為了扭轉(zhuǎn)局面，實(shí)現(xiàn)晶硅加工的自動(dòng)化，并提高各種加工設(shè)備的利用率是要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

太陽(yáng)能屬于可再生能源的一種，具有儲(chǔ)量大、永久性、清潔無(wú)污染、可再生、就地可取等特點(diǎn)，因此成為目前人類所知可利用的最佳能源選擇。自二十世紀(jì)五十年代美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家研制成功單晶硅電池以來(lái)， 光伏電池技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與發(fā)展，目前已經(jīng)形成一套完整而成熟的技術(shù)。自2017年以來(lái)，行業(yè)繁榮興盛，新投資規(guī)劃層出不窮，光伏市場(chǎng)擴(kuò)產(chǎn)需求急劇增大。全球光伏新增裝機(jī)容量增速達(dá)28%，中國(guó)裝機(jī)容量增速達(dá)54%，行業(yè)規(guī)模擴(kuò)張拉動(dòng)電池設(shè)備需求。

使用單線截?cái)鄼C(jī)對(duì)毛棒進(jìn)行截?cái)嗉庸ぃ看谓財(cái)嘁桓袅弦粋€(gè)刀口，開方單元采用雙線且線間距無(wú)級(jí)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)閉環(huán)控制，自動(dòng)修正開方尺寸；磨倒單元可滿足粗磨、精磨、單面、單弧單獨(dú)加工控制功能。各個(gè)環(huán)節(jié)的工序?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化流轉(zhuǎn)，無(wú)需人工參與正常棒料的流轉(zhuǎn)加工，對(duì)加工產(chǎn)生的頭尾料、邊皮料等，可以人工拾取，也可以根據(jù)需要用自動(dòng)傳送帶集中處理。

1 單元化布局

綜合考慮各環(huán)節(jié)的加工效率匹配，截?cái)喹h(huán)節(jié)采用單刀單根棒料切割，每次切割一根棒子的一個(gè)端面，每刀切割時(shí)間在10分鐘以內(nèi)，與開方及磨倒的產(chǎn)能匹配做到 1：2：3，即一臺(tái)截?cái)鄬?duì)應(yīng)兩臺(tái)開方和三臺(tái)磨倒，該最小單元的產(chǎn)能是 0.25GW，以根據(jù)實(shí)際情況定期升級(jí)，增加機(jī)械手、截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)和磨拋一體機(jī)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能增加，靈活、方便，如圖1所示。

圖1 整體布局圖

1）截?cái)鄦卧?/p>

采用單線但刀口切割和簡(jiǎn)易版控制原理，即只有收放線及兩個(gè)切割導(dǎo)輪，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。放線電機(jī)和收線電機(jī)分別采用速度和扭矩控制，中間的阻力慣量在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)充分考慮降低，這樣運(yùn)行精度會(huì)更高，如圖2所示。

圖2 截?cái)鄼C(jī)布局圖

2）開方單元

采用雙線，兩根金剛線豎直分布，兩線間距通過(guò)伺服在線調(diào)整，增加傳感器，做半閉環(huán)控制，開方余量降低，為磨倒產(chǎn)能提高做鋪墊。目前常規(guī)開方余量1 mm，單邊0.5 mm，如果開方控制精度提高，把余量做到0.6 mm，單邊0.3 mm，這樣磨倒環(huán)節(jié)就能提高40%的產(chǎn)能，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解，這個(gè)開方余量控制是可行的，如圖3所示。

圖3 開方機(jī)布局圖

3）磨削單元

開方后硅棒平面磨削采用杯形砂輪垂直于磨削表面進(jìn)給的方式進(jìn)行磨削，由左右兩片砂輪同時(shí)進(jìn)給磨削，磨削完后工件旋轉(zhuǎn)90°，然后進(jìn)行另外兩個(gè)平面的磨削，如圖4所示。

圖4 磨倒一體機(jī)布局圖

2 產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)

1）截?cái)喙ば?/p>

毛棒直徑：Φ150～Φ240 mm

毛棒長(zhǎng)度：1500～6500 mm

切割段長(zhǎng)：100～750 mm

切割質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 截?cái)嗪蠊璋糍|(zhì)量簡(jiǎn)圖

2）開方工序

加工長(zhǎng)度：100～750 mm

加工圓棒規(guī)格：6～8.5吋

加工直徑：Φ150～Φ240 mm

切割質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 開方后硅棒質(zhì)量簡(jiǎn)圖

3）磨削工序

加工邊距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）

加工直徑：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）；

毛棒直徑：Φ150～Φ240 mm

加工倒角：C0.2～C10 mm，在以上范圍可調(diào)；(圓弧和平角均可滿足)

加工質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 磨削后硅棒質(zhì)量簡(jiǎn)圖

3 產(chǎn)品的有益效果

(1)該加工單元的自動(dòng)化程度高，產(chǎn)能穩(wěn)定、風(fēng)險(xiǎn)分散，可靠性更好。

(2)加工精度高，分體式布局各設(shè)備均可采用行業(yè)內(nèi)頂級(jí)設(shè)備進(jìn)行整合，提升整體產(chǎn)品品質(zhì)，設(shè)備分體減少設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)的影響程度，便于設(shè)備維護(hù)及升級(jí)。

(3)節(jié)省人工，全自動(dòng)化運(yùn)行，物料搬運(yùn)等環(huán)節(jié)全由機(jī)械手代替。

(4)有升級(jí)空間，按工廠實(shí)際產(chǎn)能需求，增加機(jī)械手、截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)和磨拋一體機(jī)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能增加，靈活、方便。

(5)整個(gè)加工單元采用的獨(dú)立設(shè)備，用機(jī)械手靈活的在各種設(shè)備之間轉(zhuǎn)運(yùn)晶硅，可以機(jī)動(dòng)靈活的切換模式，比如隨時(shí)可以單獨(dú)拉出一臺(tái)磨拋一體機(jī)或者開方機(jī)做實(shí)驗(yàn)，而不影響其余設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1）截?cái)嗉夹g(shù)

(1)采用單線切割形式，每次切割一根棒料的一個(gè)刀口；

(2)采用簡(jiǎn)易版控制原理，即只有收放線及兩個(gè)切割導(dǎo)輪，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。放線電機(jī)和收線電機(jī)分別采用速度和扭矩控制，中間的阻力慣量在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)充分考慮降低，這樣運(yùn)行精度會(huì)更高；

(3)滿足常規(guī)截?cái)喙δ苤?，還能取樣片切割；

(4)與開方單元的對(duì)接，采用機(jī)器人把截?cái)嗪蟮膱A棒轉(zhuǎn)送到開方機(jī)上料工位上。

2）開方技術(shù)

(1)采用雙線，兩根金剛線豎直分布，兩線間距通過(guò)伺服在線調(diào)整；

(2)簡(jiǎn)化中間過(guò)渡輪系，做到過(guò)渡輪最少，降低控制干擾。導(dǎo)輪采用可更換式高分子材料，使用壽命是常規(guī)輪子的6倍左右；

(3)邊皮夾具，采用翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)式基座結(jié)構(gòu)，棒料先由定中心夾頭夾緊，快速移動(dòng)到金剛線待切位置，切割完畢后，邊皮夾具松開、邊皮掉落到皮帶機(jī)上，進(jìn)行邊皮回收；

(4)線網(wǎng)間距無(wú)極可調(diào)，實(shí)現(xiàn)開方后的切棱功能，大大縮短磨倒設(shè)備上磨棱，減少磨削損耗；

(5)與磨倒對(duì)接，開方完成后，機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)棒料到磨倒一體機(jī)的上料臺(tái)上，磨倒設(shè)備檢測(cè)到來(lái)料后，自動(dòng)開始磨倒。

3）磨削技術(shù)

(1)檢測(cè)硅棒高度以計(jì)算硅棒高度中心，保證硅棒夾持在回轉(zhuǎn)中心上，夾持后的硅棒通過(guò)測(cè)量各面及直徑后計(jì)算出加工余量；(2)工件在磨削完一組平面后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分度，分度精度誤差將會(huì)直接影響工件各面的垂直度。倒角時(shí)回轉(zhuǎn)精度也將影響加工節(jié)拍及質(zhì)量；(3)硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力，對(duì)砂輪主軸剛度要求較高，砂輪主軸的徑向跳動(dòng)將會(huì)影響砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，從而影響磨削表面質(zhì)量，同樣砂輪主軸的軸向竄動(dòng)將會(huì)引起砂輪的進(jìn)給不穩(wěn)，影響主軸使用壽命及磨削表面質(zhì)量；(4)需對(duì)砂輪進(jìn)行修整，以及修整后的補(bǔ)償，以保證磨削硅棒的尺寸；(5)砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，冷卻不充分將會(huì)導(dǎo)致砂輪使用壽命降低，為了有良好的清洗砂輪作用，應(yīng)使液流出口速度高于砂輪圓周速度；(6)磨削加工一般分為粗磨、精磨、光磨三個(gè)階段，合理的分配加工余量，不僅能保證工件的加工質(zhì)量，同時(shí)也提高了加工節(jié)拍。

5 結(jié)語(yǔ)

該單元內(nèi)部是一個(gè)高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，正常生產(chǎn)無(wú)需人工干預(yù)，在來(lái)料接口和成品料輸送接口上，也可以便捷地與客戶整廠自動(dòng)化進(jìn)行對(duì)接。這種分散式自動(dòng)化單元，即能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化要求，又能避免因局部環(huán)節(jié)故障而造成大面積停機(jī)，避免大面積產(chǎn)能波動(dòng)。

本單元包含一臺(tái)單刀截?cái)鄼C(jī)、一臺(tái)雙線開方機(jī)、一臺(tái)磨倒一體機(jī)，以及一套配套的機(jī)器人裝置。這些基礎(chǔ)都做好后，便可以根據(jù)用戶產(chǎn)能大小進(jìn)行組合，簡(jiǎn)單、方便、靈活，今后一定會(huì)在客戶實(shí)際運(yùn)作中發(fā)揮智能化優(yōu)勢(shì)，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。