全自動(dòng)硅片上料機(jī)的產(chǎn)能提升分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王志宏，朱江江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

隨著全球能源形勢(shì)的趨緊，發(fā)展可再生能源已經(jīng)是迫在眉睫。太陽(yáng)能是一種有著巨大開(kāi)發(fā)價(jià)值的能源。近年來(lái)，光伏行業(yè)發(fā)展迅速，提升自動(dòng)化設(shè)備的效率是提升電池片生產(chǎn)產(chǎn)能的關(guān)鍵，對(duì)企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天意義重大[1]。常見(jiàn)的電池片生產(chǎn)線有多道工序，包括：制絨、擴(kuò)散、刻蝕等，每道工序中配備的自動(dòng)化上下料設(shè)備對(duì)提升產(chǎn)能作用巨大。制絨作為整個(gè)生產(chǎn)線的第一道工序，其上料效率會(huì)直接影響整條生產(chǎn)線的效率。本文主要分析了影響制絨上料機(jī)產(chǎn)能的原因，并提出了相應(yīng)的改良方法。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文中的自動(dòng)化制絨上料機(jī)主要由硅片裝籃機(jī)構(gòu)和提籃到工藝設(shè)備的提籃機(jī)構(gòu)兩大部分組成。硅片裝籃機(jī)構(gòu)有上料機(jī)構(gòu)、上花籃機(jī)構(gòu)、裝片機(jī)構(gòu)、搬片機(jī)構(gòu)、雙片分揀機(jī)構(gòu)組成，提籃到工藝設(shè)備的機(jī)構(gòu)由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)組成[2,3]。硅片裝籃機(jī)構(gòu)將成疊的原硅片通過(guò)吸盤(pán)吸取、傳送帶輸送送入籃具，提籃到工藝設(shè)備的機(jī)構(gòu)則將豎直的籃具旋轉(zhuǎn)到水平位后通過(guò)伺服電機(jī)搬送到工藝臺(tái)。優(yōu)化前設(shè)備的理想產(chǎn)能在8000片/小時(shí)左右，而實(shí)際產(chǎn)能則會(huì)更低。

導(dǎo)致設(shè)備效率低的兩個(gè)主要因素是：1) 設(shè)備在裝片機(jī)構(gòu)進(jìn)籃部位造成較多卡片；2) 設(shè)備各機(jī)構(gòu)本身的速度慢。因此，我們從這兩個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 全自動(dòng)硅片上料機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2 針對(duì)卡片的優(yōu)化

2.1 伸縮機(jī)構(gòu)開(kāi)孔

該光伏廠工藝流程要求與其他公司有所不同，這要求上料設(shè)備給籃具的每個(gè)槽中插入兩片硅片，這樣在卡片這一評(píng)判指標(biāo)上提高了技術(shù)難度。我們針對(duì)上述要求在以往的設(shè)備上進(jìn)行了伸縮手部位的改造，在伸縮手上開(kāi)了一排孔，通過(guò)電磁閥控制吹氣。這樣在第一片硅片插入槽延時(shí)T1時(shí)間后，吹氣孔吹氣將第一片硅片吹起使其貼近槽內(nèi)上齒，接著第二片硅片即可以順利插入槽中。目前大多數(shù)公司使用的是100槽、每槽齒間距為4.76 mm的籃具，而該光伏廠使用了120槽、每槽齒間距為4.125 mm的籃具，同時(shí)該公司所用硅片為166 mm×166 mm的較大硅片，因此這又給設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)的巨大難度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于上述原因，伸縮機(jī)構(gòu)不能使硅片平穩(wěn)吹起，使得設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中仍然會(huì)造成大量卡片，這對(duì)設(shè)備的效率影響極大。

圖2 伸縮機(jī)構(gòu)

接著，我們對(duì)伸縮手部位進(jìn)行了二次開(kāi)孔，使兩排孔分別通過(guò)兩個(gè)電磁閥來(lái)控制吹氣。在程序中我們這樣控制電磁閥的兩次吹氣：當(dāng)裝籃機(jī)構(gòu)前的對(duì)射傳感器檢測(cè)到第一片硅片的下降沿并延時(shí)T1后第一排吹氣孔開(kāi)始吹氣，這樣來(lái)保證籃具中槽內(nèi)上下齒之間有足夠間隔使第二片硅片的前半部分進(jìn)去。但之后如果使兩排孔都同時(shí)吹氣，那么第二片硅片必然會(huì)被吹起并與第一片硅片摩擦而造成卡片，因此控制兩排吹氣的通斷很重要。通過(guò)分析，我們?cè)跈z測(cè)到第二片硅片上升沿時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間為T(mén)2后，使第一排吹氣停止。對(duì)于第二排吹氣的控制，我們希望使第一張硅片前半部分能夠吹起，這樣能有足夠空間使第二片硅片剩余半片能全部插入槽內(nèi)。我們?cè)跈z測(cè)到第二片硅片上升沿時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間為T(mén)3時(shí)第二排吹氣開(kāi)啟，計(jì)時(shí)到T4時(shí)吹氣停止。這樣第一排吹氣孔有效吹片時(shí)間為T(mén)2，第二排吹氣孔有效吹片時(shí)間為T(mén)4-T3。一張硅片通過(guò)裝片機(jī)構(gòu)處對(duì)射傳感器的時(shí)間大約為0.4 s，那么半張片子通過(guò)的時(shí)間約為0.2 s，我們以T2、T3初始值為0.2 s，T1初始值為0.1 s，T4初始值為0.3 s開(kāi)始調(diào)試參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到一個(gè)合適的參數(shù)使設(shè)備不卡片平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 裝片提升間隔的優(yōu)化

設(shè)備裝片升降機(jī)構(gòu)所使用的伺服電機(jī)精度可以控制在0.01 mm，而籃具每槽的齒間距為4.125 mm。如果每次進(jìn)片后伺服電機(jī)抬升值為4.12 mm或4.13 mm，那么120槽的前數(shù)十槽插片可以正常進(jìn)行，而在插片到后二十槽時(shí)誤差開(kāi)始大量累積，卡片時(shí)有發(fā)生。我們可以使伺服電機(jī)在奇數(shù)槽和偶數(shù)槽分別抬升4.12mm和4.13mm，這樣可以避免誤差累積帶來(lái)卡片。

3 設(shè)備機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率的提高

3.1 搬片機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

硅片裝籃機(jī)構(gòu)和提籃機(jī)構(gòu)兩大部分中，由于提籃具到工藝臺(tái)流程較簡(jiǎn)、效率較硅片裝籃機(jī)構(gòu)高，因此硅片裝籃機(jī)構(gòu)是優(yōu)化重點(diǎn)。

硅片裝籃機(jī)構(gòu)中，裝片機(jī)構(gòu)只需要適當(dāng)加快伸縮機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)速度使其比吸片部分快即可。

圖3 硅片裝籃機(jī)構(gòu)

搬片機(jī)構(gòu)的流程有以下幾個(gè)步驟：

1) 搬片交流電機(jī)去左料盒位；

2) 吸片氣缸伸出；

3) 氣缸上左側(cè)吸盤(pán)開(kāi)始吸左料盒的硅片，同時(shí)右側(cè)吸盤(pán)關(guān)閉吸氣并把右側(cè)片放到傳送帶；

4) 吸片氣缸縮回；

5) 搬片交流電機(jī)去右料盒位；

6) 吸片氣缸伸出；

7) 氣缸上右側(cè)吸盤(pán)開(kāi)始吸右料盒的硅片，同時(shí)左側(cè)吸盤(pán)關(guān)閉吸氣并把左側(cè)片放到傳送帶；

8) 吸片氣缸縮回。

圖4 搬片機(jī)構(gòu)

這樣不斷重復(fù)以上步驟。搬片一個(gè)流程可以將六片硅片放到傳送帶，優(yōu)化之前每?jī)蓚€(gè)步驟之間會(huì)有0.1 s左右的延時(shí)，我們把每個(gè)延時(shí)減小到0.01 s，這樣每個(gè)流程可以節(jié)約接近1s時(shí)間。同時(shí)，搬片交流電機(jī)在左右料盒位間移動(dòng)的速度由優(yōu)化之前的300 mm/s提高到了400 mm/s。

圖5 搬片電機(jī)速度位置調(diào)試界面

在吸盤(pán)吸到硅片之后，吸盤(pán)會(huì)等待吸盤(pán)氣缸下側(cè)傳送帶上的硅片全部傳走才會(huì)伸出到下位開(kāi)始放片，這也會(huì)影響效率。通過(guò)優(yōu)化程序，我們可以使吸片氣缸先伸出到下位，同時(shí)保持吸氣閥不關(guān)閉，這樣處于等待狀態(tài)，等下側(cè)硅片傳走瞬間，吸氣閥立刻關(guān)閉并將硅片放到傳送帶，這樣每次放片時(shí)可以節(jié)約0.5 s左右。

吸片氣缸伸縮的速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)控制，也可以影響搬片速度。

通過(guò)優(yōu)化程序、調(diào)節(jié)參數(shù)，搬片機(jī)構(gòu)的效率有了明顯的提升。

3.2 其他機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

搬片機(jī)構(gòu)的效率提升后，我們可以調(diào)節(jié)吸片部分步進(jìn)電機(jī)傳送帶的速度，使其和搬片機(jī)構(gòu)速度相匹配，同時(shí)要注意傳送帶速度不能過(guò)快，否則皮帶上硅片會(huì)打滑或者摩擦出皮帶印影響產(chǎn)品質(zhì)量。

搬片機(jī)構(gòu)中所優(yōu)化的延時(shí)可以影響至每片硅片，而硅片裝入籃具之后的機(jī)構(gòu)延時(shí)優(yōu)化只能影響每籃的時(shí)間，所以除搬片和裝片機(jī)構(gòu)的其它機(jī)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)產(chǎn)能提升作用較小。提升裝片升降機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)速度、調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)傳送氣缸都可以使每次裝卸籃具節(jié)約一些時(shí)間。同樣，進(jìn)空籃具、上料盒等都可以通過(guò)調(diào)整傳感器位置、調(diào)節(jié)相應(yīng)氣缸來(lái)小幅提升效率。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的設(shè)備理想產(chǎn)能可以達(dá)到9800片/小時(shí)，相比優(yōu)化之前設(shè)備效率可提升約23%，而在硅片流經(jīng)清洗機(jī)、分片機(jī)、倒片機(jī)，刨除碎片、各設(shè)備中的損失后，從倒片機(jī)出片依然可以達(dá)到9000片/小時(shí)，滿足了客戶的實(shí)際產(chǎn)能需求。