槽式單面制絨插片機(jī)的研制

張奇巍，趙忠志

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

太陽能電池因其永久性、清潔型和靈活性的特點(diǎn)越來越受到人民的青睞，近年來的太陽能電池行業(yè)有著飛速的發(fā)展[1]。電池片生產(chǎn)工藝流程中的第一道工序是制絨[2]，隨著電池片制絨工藝的提升，槽式單面制絨技術(shù)逐漸興起。由于槽式單面制絨可以在提高產(chǎn)能的同時(shí)減少了酸堿等化學(xué)品的使用，節(jié)約了制造電池片的成本，因此受到各大電池片制造企業(yè)的重視。

圖1 單面制絨插片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

槽式單面制絨技術(shù)對(duì)插片自動(dòng)化設(shè)備有以下幾點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn)：1.100/120齒花籃的各個(gè)齒中需要插入兩張硅片；2.硅片搬送效率的提升，要求單工位產(chǎn)能≥5 000片/小時(shí)；3.吸盤對(duì)硅片無污染。本文針對(duì)槽式單面制絨對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的要求，研制出一種可大規(guī)模投產(chǎn)的自動(dòng)化設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)有：空花籃傳送、滿花籃傳送、花籃升降、硅片傳送、硅片搬送、疊片升降。

1 一齒兩片技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 硅片傳送機(jī)構(gòu)固定在設(shè)備機(jī)架上，設(shè)計(jì)有傳送電機(jī)、傳送皮帶、氣缸、電磁閥、吹氣板等，傳送電機(jī)和傳送皮帶用于將硅片傳送至花籃中，氣缸用于將傳送皮帶和吹氣板伸進(jìn)、退出花籃，吹氣板用于將硅片吹起，電磁閥與PLC控制器相連，用于控制吹氣時(shí)機(jī)及吹氣的時(shí)間。

2) 硅片傳送機(jī)構(gòu)安裝有節(jié)流閥和PLC控制器，節(jié)流閥用于控制吹氣氣量的大小，其兩端連接著氣管；PLC控制器用于控制各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)流程。

3) 吹氣板還設(shè)計(jì)有走氣孔和出氣孔，走氣孔用于形成氣體流通的通道，出氣孔用于將硅片平穩(wěn)吹起，脫離傳送皮帶。

4) 吹氣板的走氣孔兩端安裝有氣管接頭和堵頭，接頭用于連接節(jié)流閥一端的氣管，接通氣源；堵頭用于堵住走氣孔一端，防止氣體泄漏。

5) 吹氣板上還設(shè)計(jì)有氣管槽，其設(shè)計(jì)尺寸和氣管外徑尺寸為過盈配合，用于緊固氣管，防止氣缸伸出、縮回時(shí)折斷氣管。

1.2 工作原理

圖2所示為一齒兩片的流程圖：當(dāng)對(duì)射傳感器檢測(cè)到硅片A時(shí)，會(huì)有一個(gè)微分下降沿通過I/O輸入傳給PLC控制器，PLC控制器通過I/O輸出信號(hào)控制電磁閥通路，氣體經(jīng)電磁閥→節(jié)流閥→接頭→走氣孔，最后由吹氣孔吹氣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥流量大小至可使硅片A懸浮，貼在花籃齒的上表面，這樣硅片A就不會(huì)和傳送皮帶接觸，當(dāng)硅片B傳送來的時(shí)候，兩片不會(huì)相撞。當(dāng)對(duì)射傳感器檢測(cè)到硅片B時(shí)，PLC控制器會(huì)先接收到一個(gè)微分上升沿，這時(shí)PLC控制器控制電磁閥斷路，這時(shí)硅片B和硅片A之間有間隙，硅片B可以插入到和硅片A所在的同一個(gè)齒里，當(dāng)硅片B離開對(duì)射傳感器的檢測(cè)后，PLC控制器會(huì)接收到一個(gè)微分下降沿，這時(shí)PLC控制器會(huì)控制伺服電機(jī)上升一個(gè)齒的高度4.76 mm，這樣便完成了同一個(gè)齒里插兩張硅片的過程。

圖2 工作流程圖

1.3 程序邏輯

圖3 控制邏輯圖

圖3示出了PLC控制器如何分辨微分上升沿和下降沿來控制各執(zhí)行元件，本文通過PLC程序中計(jì)數(shù)器C50的不同數(shù)值來進(jìn)行控制，計(jì)數(shù)器C50通過對(duì)射傳器的微分上升沿信號(hào)來計(jì)數(shù)。初始狀態(tài)下C50為0，當(dāng)對(duì)射傳感器檢測(cè)到硅片A會(huì)先產(chǎn)生一個(gè)微分上升沿，這時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，C50置為1，當(dāng)硅片A離開對(duì)射傳感器的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微分下降沿，此時(shí)C50=1，PLC控制器控制電磁閥通路；當(dāng)對(duì)射傳感器檢測(cè)到硅片B，同樣也是會(huì)先產(chǎn)生一個(gè)微分上升沿，此時(shí)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，C50置為2，PLC控制器控制電磁閥斷路；當(dāng)硅片B離開對(duì)射傳感器的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微分下降沿，此時(shí)C50=2，PLC控制器控制伺服電機(jī)上升4.76 mm；伺服電機(jī)定位完成會(huì)反饋信號(hào)給PLC控制器，當(dāng)PLC控制器接收到伺服電機(jī)反饋的定位完成信號(hào)后，會(huì)將計(jì)數(shù)器C50清零，置位為0。

2 硅片搬送設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)廠家在硅片搬送結(jié)構(gòu)上大都采用SMC品牌的滑塊型LEF系列電動(dòng)執(zhí)行器，其運(yùn)動(dòng)200 mm的定位時(shí)間需要0.7 s，設(shè)備單工位的理論產(chǎn)能只有4 000片/小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到5 000片/小時(shí)的要求。本文采用交流步進(jìn)電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌從動(dòng)的方式進(jìn)行硅片搬送，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硅片搬送結(jié)構(gòu)圖

步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的提高而下降，因?yàn)楫?dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各項(xiàng)繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，脈沖頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在反向電動(dòng)勢(shì)的作用下，電機(jī)的相電流隨脈沖頻率(或速度)的增大而減小，從而導(dǎo)致力矩下降。為了驗(yàn)證電機(jī)選用的是否能夠滿足要求，需對(duì)其進(jìn)行校核驗(yàn)證。設(shè)計(jì)參數(shù)：定位時(shí)間t=0.4 s，m負(fù)載=6 kg，m帶輪=0.1 kg，加減速時(shí)間比A=25%，運(yùn)動(dòng)距離L=200 mm，摩擦系數(shù)μ=0.01，帶輪直徑D=0.03 m，安全系數(shù)S=2。經(jīng)公式(1)[3]計(jì)算得電機(jī)最快速度Vmax≤7 rps，TM=1.5 N·m。

(1)

本文選用的電機(jī)為MOONS’單輸出軸交流步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為AM34HD08702，其動(dòng)態(tài)力矩曲線如圖5所示，其轉(zhuǎn)速在低于12 rps時(shí)，其輸出扭矩在2.5～2.7 N·m區(qū)間，大于必須轉(zhuǎn)矩1.5 N·m，因此，選用的電機(jī)轉(zhuǎn)矩能夠滿足使用要求，其定位時(shí)間≤0.4 s，單工位理論產(chǎn)能≥5 200片/小時(shí)，滿足了槽式單面制絨工藝技術(shù)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)能的要求。

圖5 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)力矩曲線

3 非接觸吸盤設(shè)計(jì)

本文采用伯努利原理設(shè)計(jì)了一款非接觸式吸盤，避免了傳統(tǒng)吸盤吸嘴對(duì)硅片表面造成印記的污染，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，吸盤由上頂板、內(nèi)腔、下底板和硅膠墊組成，產(chǎn)生吸力的原理是氣源由與上頂板連接的氣管接頭通入，隨后進(jìn)入吸盤主體的內(nèi)腔，最后由下底板與主體間0.02 mm的縫隙中流出，在吸盤下表面形成一個(gè)流速快的氣流層，根據(jù)伯努利原理“氣流快處氣壓小”，這樣硅片上下表面形成了負(fù)壓，產(chǎn)生了吸力F，硅片受力會(huì)吸附于硅膠墊上，這種吸取硅片的方式避免了硅片和吸盤的直接接觸，滿足了槽式單面制絨技術(shù)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的要求。

圖6 吸盤結(jié)構(gòu)及工作原理圖

4 結(jié)束語

槽式單面制絨插片機(jī)的成功研制，有效解決了目前人工插片勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，易造成碎片和污染的缺點(diǎn)，促進(jìn)了槽式單面制絨工藝技術(shù)的發(fā)展，提高了制絨工藝單線產(chǎn)能，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 岳軍.石墨舟上下料機(jī)的研制[J].電子工藝技術(shù)2015,36(6):361-363.

[2] 席思南,王鵬鵬.太陽能電池片傳輸中的表面臟污分析與優(yōu)化[J].電子工藝技術(shù),2016,37(6):367-369.

[3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.