背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)兼容不同尺寸硅片方法研究

任云星，宋沛毅

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

近年來，隨著大眾對(duì)環(huán)保要求的提高，利用太陽能來改善能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)新能源的快速發(fā)展愈發(fā)成為趨勢(shì)，由此也帶動(dòng)光伏行業(yè)的發(fā)展[1]。光伏產(chǎn)業(yè)中“效率”與“成本”始終是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞，電池背鈍化技術(shù)可以帶來1%以上絕對(duì)效率提升，而且不需要大規(guī)模更改現(xiàn)有生產(chǎn)線，使得這一技術(shù)在光伏領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，對(duì)應(yīng)的背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)需求也越來越大。背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)可以完成背鈍化工藝托盤上硅片的自動(dòng)裝卸，并與工藝機(jī)臺(tái)對(duì)接完成托盤循環(huán)傳輸。

光伏硅片源于半導(dǎo)體材料，早期尺寸規(guī)格對(duì)標(biāo)半導(dǎo)體硅片，現(xiàn)階段大尺寸硅片已經(jīng)成為光伏行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。在制造端，大尺寸硅片可以提升硅片、電池、組件的產(chǎn)量，從而降低單瓦成本。在產(chǎn)品端，大尺寸電池可以有效提高電池功率，從而提高組件效率[2]。硅片尺寸的加大，會(huì)促使相應(yīng)設(shè)備的改造升級(jí)，現(xiàn)行市場(chǎng)主流還是生產(chǎn)158mm和166mm的硅片，主要是因?yàn)檫@兩種尺寸硅片均可通過技術(shù)改造進(jìn)行升級(jí)適配，且技改成本較低。不少廠家因?yàn)橛唵涡枰?，要求產(chǎn)線設(shè)備可以便捷切換158mm和166mm片源，所以自動(dòng)化設(shè)備對(duì)這兩種片源的兼容就很有必要。

本文通過研究背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)中硅片、花籃、托盤的傳輸過程，分析158mm和166mm兩種片源及相應(yīng)花籃、托盤的傳輸工況，找到兼容158mm和166mm這兩種片源的設(shè)計(jì)方案，使設(shè)備經(jīng)過最簡(jiǎn)單的改動(dòng)和最便捷的程序切換方式，實(shí)現(xiàn)兩種片源的切換，提升設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 背鈍化上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)與流程

1.1 背鈍化上下料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)由三個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成，即花籃循環(huán)傳送系統(tǒng)，硅片循環(huán)傳送系統(tǒng)，以及托盤循環(huán)傳送系統(tǒng)。

1.2 背鈍化上下料機(jī)的工作流程

背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)的工作流程如下：

裝滿硅片的花籃從上料傳送入口傳送至花籃升降機(jī)構(gòu)，硅片伸縮取片機(jī)構(gòu)將硅片從花籃中取出，傳送至硅片上料皮帶；托盤從主機(jī)臺(tái)下層傳出，并通過托盤傳送機(jī)構(gòu)，托盤升降機(jī)構(gòu)，傳送到托盤定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位；硅片傳送機(jī)構(gòu)將硅片傳送至硅片上料定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行排列并精確定位；硅片搬送機(jī)構(gòu)將托盤上硅片取走并搬送至硅片下料機(jī)構(gòu)，然后將硅片上料定位機(jī)構(gòu)的硅片搬送至托盤對(duì)應(yīng)位置；滿花籃中硅片全部取出以后，由空籃循環(huán)組件將空花籃輸送至籃具下料；下料硅片通過硅片下料傳輸機(jī)構(gòu)、伸縮裝片機(jī)構(gòu)將硅片裝入下料花籃內(nèi)，花籃裝滿以后，經(jīng)滿花籃傳輸機(jī)構(gòu)將滿花籃取出；硅片搬送機(jī)構(gòu)完成托盤上硅片的取放以后，托盤傳送裝置將托盤傳送至托盤緩存區(qū)，收到主設(shè)備輸入信號(hào)后，再將托盤送入主設(shè)備進(jìn)行工藝處理；重復(fù)以上流程，完成硅片的背鈍化工藝。

2 設(shè)備對(duì)不同片源的兼容性分析

實(shí)際生產(chǎn)中，158mm和166mm兩種片源對(duì)應(yīng)的籃具及托盤的外形尺寸是相同的，為了實(shí)現(xiàn)不同片源的兼容生產(chǎn)，只需要對(duì)硅片循環(huán)傳送系統(tǒng)進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)。涉及到的結(jié)構(gòu)主要有：硅片傳輸定位組件，硅片緩存組件，硅片矯正組件，硅片二次定位組件。只要這幾個(gè)部件做最簡(jiǎn)單的改動(dòng)，同時(shí)切換相應(yīng)的控制程序，整臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)不同片源的兼容。

3 結(jié)構(gòu)兼容性設(shè)計(jì)

3.1 硅片傳輸定位組件

背鈍化自動(dòng)上下料設(shè)備需要對(duì)硅片進(jìn)行準(zhǔn)確的平面定位，重新設(shè)計(jì)的硅片傳輸定位組件如圖1所示，分為三段皮帶傳送機(jī)構(gòu)，均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一段傳輸皮帶將硅片從花籃傳出，并且硅片間距設(shè)為190mm，保證兩種尺寸硅片都有足夠檢測(cè)空間，傳輸皮帶末端對(duì)硅片進(jìn)行左右兩側(cè)定位。

第二段傳輸皮帶長(zhǎng)度為1.5倍硅片尺寸，傳輸皮帶上方安裝高精度檢測(cè)傳感器，當(dāng)高精度傳感器檢測(cè)到硅片時(shí)，伺服電機(jī)控制皮帶開始走一個(gè)固定節(jié)距后停止，硅片實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，定位誤差小于0.5mm。

硅片在第三段傳輸皮帶上進(jìn)行排列，此段皮帶采用節(jié)拍控制的方式，通過控制第三段皮帶的單次傳輸距離，可以控制排列中每張硅片之間的間距，通過控制最后節(jié)拍距離，可以改變整列硅片在皮帶的位置。

圖1 硅片傳送定位組件

在切換片源的時(shí)候，只需要改變第三段皮帶的步距值，即可改變片間距，以及硅片整體位置。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)客戶托盤尺寸，設(shè)備中預(yù)先設(shè)置兩種不同片源的步進(jìn)參數(shù)值，客戶只需要在屏幕進(jìn)行切換參數(shù)即可，不需要重新調(diào)試。

3.2 硅片緩存組件

在背鈍化上下料機(jī)空花籃與滿花籃切換過程中，為了保持設(shè)備硅片循環(huán)系統(tǒng)可以正常工作，自動(dòng)化設(shè)備配備硅片緩存組件。硅片緩存組件用來對(duì)上下料的硅片進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，一般需要25片緩存數(shù)量，設(shè)備設(shè)計(jì)緩存數(shù)量為30片。

為了滿足不同尺寸片源的緩存需要，對(duì)緩存?zhèn)劝暹M(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖2所示。原有多齒側(cè)板側(cè)齒間距小，為了保證各齒之間的平行度，側(cè)齒長(zhǎng)度不能大于10mm，否則因?yàn)閭?cè)板變形太大，會(huì)引起大量堵片。更改后的設(shè)計(jì)將側(cè)齒板換為側(cè)齒條，并加大齒間距，齒長(zhǎng)可以做到18mm，安裝后齒的平行度依然可以滿足硅片傳輸存片需求。緩存兩側(cè)板間距設(shè)計(jì)為172mm，最小存片尺寸為154mm，最大存片為166mm，客戶切換片源的時(shí)候，硅片緩存組件可以不做任何改動(dòng)。

圖2 硅片緩存組件

3.3 硅片矯正組件

原有自動(dòng)化設(shè)備采用雙向氣缸夾緊的方式對(duì)皮帶上的硅片進(jìn)行定位。這種定位方式硅片與皮帶之間相對(duì)位移較大，一方面會(huì)增加硅片表面劃傷、皮帶印等缺陷，另一方面氣缸行程固定，不利于設(shè)備兼容不同尺寸硅片。

改進(jìn)后的硅片矯正組件如圖3所示，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步帶輪兩側(cè)同步帶運(yùn)動(dòng)方向相反，且位移相等。利用這一特點(diǎn)，在帶輪兩側(cè)同步帶上分別加裝矯正機(jī)構(gòu)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量，來控制矯正機(jī)構(gòu)的矯正行程，實(shí)現(xiàn)不同尺寸硅片的矯正。

在設(shè)備操作屏中提前設(shè)置好不同尺寸硅片的矯正參數(shù)，客戶直接選擇相應(yīng)的硅片參數(shù)即可。

3.4 硅片二次定位組件

背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)需要將硅片放入托盤內(nèi)，托盤內(nèi)硅片單邊間隙最小為0.5mm，而硅片經(jīng)過皮帶傳輸以后定位精度為2mm，所以設(shè)計(jì)硅片二次定位組件，如圖4所示。

圖3 硅片矯正組件

圖4 硅片二次定位組件

硅片在排片皮帶上排列完成以后，頂起氣缸驅(qū)動(dòng)定位塊組件抬起，將排片皮帶上的硅片頂起，使整列硅片落入每組定位塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)硅片的二次定位，定位精度可以達(dá)到單邊0.3mm。等定位塊組件上的硅片被放入托盤后，定位塊組件由分離氣缸驅(qū)動(dòng)打開，定位塊打開寬度大于硅片寬度，然后頂起氣缸縮回定位塊組件落到傳輸皮帶下方，準(zhǔn)備頂起下一組硅片。

通過切換不同的定位塊，以及對(duì)應(yīng)的定位塊安裝板，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸規(guī)格硅片的二次定位。通過提前將定位塊組件裝好，客戶直接整套組件切換，可以很方便完成切換。

4 設(shè)備改進(jìn)效果

根據(jù)上述方法改進(jìn)設(shè)備，并跟蹤新一代設(shè)備在客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，客戶切換片源方便，單臺(tái)設(shè)備停機(jī)切換時(shí)間縮短到2小時(shí)之內(nèi)，設(shè)備獲得客戶好評(píng)。

5 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有背鈍化上下料機(jī)的工作流程，分析158mm和166mm兩種尺寸硅片傳輸機(jī)構(gòu)的區(qū)別，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，并升級(jí)相應(yīng)的控制程序，在成本增加不多的情況下，快速方便實(shí)現(xiàn)兩種片源的切換，提升設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力。