全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

戎有蘭

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

1 背景

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏行業(yè)火爆增長(zhǎng)，2017年全球光伏新增裝機(jī)量首次突破100GW，2018年隨后幾年，還將持續(xù)增長(zhǎng)。伴隨光伏電池PERC、HIT的黑硅制絨、ALD沉積、激光消融、組件疊瓦技術(shù)的快速發(fā)展，光伏自動(dòng)化設(shè)備也將迎來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)，但對(duì)其性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。電池片的制作工藝包括制絨、擴(kuò)散、PE鍍膜、ALD、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、測(cè)試分選等，本文主要針對(duì)硅片PE鍍膜工藝所配套的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，旨在提升設(shè)備的穩(wěn)定性和裝機(jī)效率，降低其碎片率，提高產(chǎn)能。

2 全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作流程

全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)的工作原理是將100片專用籃具中的硅片經(jīng)上料傳輸機(jī)構(gòu)、緩存機(jī)構(gòu)存入上料變節(jié)距機(jī)構(gòu)中，由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)真空吸片機(jī)構(gòu)將變節(jié)距機(jī)構(gòu)中的硅片吸取后放入石墨舟中；待硅片完成PECVD鍍膜工藝后，再由真空吸片機(jī)構(gòu)將硅片從石墨舟中取出，經(jīng)下料變節(jié)距機(jī)構(gòu)、緩存機(jī)構(gòu)、下料傳輸機(jī)構(gòu)裝入100片專用籃具中，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 主要機(jī)構(gòu)

1) 籃具傳輸機(jī)構(gòu)：由三相異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步齒形帶實(shí)現(xiàn)籃具的平穩(wěn)傳輸。

2) 籃具升降機(jī)構(gòu)：由伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)控制籃具升降，實(shí)現(xiàn)硅片的裝卸。

3) 上料硅片變節(jié)距機(jī)構(gòu)：由伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，將籃具中相鄰兩張硅片的間距變更為石墨舟中相鄰兩張硅片的間距，并將硅片裝入此機(jī)構(gòu)中。

4) 石墨舟傳輸機(jī)構(gòu)：由伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)石墨舟在出舟位和插取位的切換。

5) 石墨舟定位機(jī)構(gòu)：通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)石墨舟在插取位的精準(zhǔn)定位。

6) 機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)：高精度六軸機(jī)器人帶動(dòng)真空吸片機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硅片在石墨舟中的裝卸。

圖1 全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)

2.2 工作流程

1) 裝滿硅片的100片籃具放在上料位籃具下傳輸機(jī)構(gòu)， 100片空花籃放在下料位籃具上傳輸機(jī)構(gòu)，PECVD工藝完成后的石墨舟傳輸?shù)教嶂畚恢茫?/p>

2) 上料位籃具下傳輸機(jī)構(gòu)將裝滿硅片的籃具輸送到籃具升降機(jī)構(gòu)，上料位硅片傳輸機(jī)構(gòu)伸縮手伸入籃具，將硅片由皮帶傳出籃具經(jīng)過(guò)緩存機(jī)構(gòu)傳入上料變節(jié)距機(jī)構(gòu)，每傳入一片硅片，變節(jié)距機(jī)構(gòu)上升一個(gè)工位，直至變節(jié)距機(jī)構(gòu)放滿硅片，剩余的硅片則暫時(shí)存放在緩存機(jī)構(gòu)中；

3) 同時(shí)石墨舟搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將提舟位置處的石墨舟提放到石墨舟傳輸機(jī)構(gòu)上，石墨舟傳輸機(jī)構(gòu)將石墨舟傳送到硅片插取位置，并對(duì)石墨舟進(jìn)行定位；

4) 機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)將石墨舟第一槽中A面的硅片取出放置到下料變節(jié)距機(jī)構(gòu)，再將上料變節(jié)距機(jī)構(gòu)的硅片取出填回到石墨舟第一槽中的A面；

5) 下料變節(jié)距機(jī)構(gòu)中的硅片經(jīng)由下料皮帶傳輸?shù)较铝衔坏?00片空籃具中，硅片裝滿后自動(dòng)更換空籃具；

6) 同樣重復(fù)上述動(dòng)作完成石墨舟中A/B面硅片的取放，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片的高溫PECVD鍍膜工藝，在此過(guò)程中需不停在上、下料籃具位取放100片空、滿籃具，當(dāng)石墨舟中硅片更換完畢后，自動(dòng)更換石墨舟，將換完硅片的石墨舟傳輸?shù)教嶂畚恢茫M(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3 全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 設(shè)備機(jī)架的改進(jìn)

目前設(shè)備全部采用Q235鋼管焊接的結(jié)構(gòu)，與型材搭接的方式[1]相比：

1) 焊接結(jié)構(gòu)的整體性強(qiáng)，剛度大，在外力作用下不會(huì)像其他機(jī)械連接那樣因間隙變化而產(chǎn)生過(guò)大的變形；強(qiáng)度高，承受沖擊載荷能力強(qiáng)；安全性能高；具有良好的塑形和韌性，對(duì)作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)載荷適應(yīng)性強(qiáng)；致密性好且更經(jīng)濟(jì)，尤其適合制作外形尺寸范圍大的結(jié)構(gòu)。在振動(dòng)比較劇烈，穩(wěn)定性要求高的設(shè)備上要采用焊接結(jié)構(gòu)。

2) 鋁型材結(jié)構(gòu)較輕，多用螺絲連接，用于輕型設(shè)備上，對(duì)承重?zé)o大要求、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊的情況使用；振動(dòng)和剛性不如鋼材。

該設(shè)備中石墨舟搬運(yùn)機(jī)構(gòu)需要將工藝設(shè)備傳來(lái)的石墨舟搬運(yùn)到傳輸機(jī)構(gòu)上，由于石墨舟材料較脆，且價(jià)格昂貴，需要輕拿輕放，因此對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求高；其次六軸機(jī)器人放置于臺(tái)面上，工作時(shí)也易產(chǎn)生振動(dòng)，因此采用全鋼管焊接的方式更能滿足需要。

3.2 對(duì)石墨舟傳輸機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

目前石墨舟傳輸機(jī)構(gòu)采用雙導(dǎo)軌+滾珠絲杠的方式，由伺服電機(jī)控制，相較于同步齒形帶的方式而言，滾珠絲杠傳動(dòng)效率高；傳輸精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象；反向時(shí)無(wú)空行程；且使用壽命長(zhǎng)。而同步齒形帶傳動(dòng)有彈性滑動(dòng)，且同步帶的壽命較低，傳動(dòng)效率也低，對(duì)載荷變動(dòng)的吸收能力較差，在使用過(guò)程中，同步齒形帶需要適當(dāng)?shù)臐q緊，漲緊力不足，帶將在帶輪上打滑，使帶急劇磨損，而且增加了齒形同步帶的“爬齒”現(xiàn)象帶來(lái)的不良情況；漲緊力過(guò)大則會(huì)使帶的壽命降低，軸和軸承上的作用力增大。綜上所述，采用雙導(dǎo)軌+滾珠絲杠的方式，石墨舟可精確的停在所需要的位置。通過(guò)校核計(jì)算，采用400 W的電機(jī)，配3∶1的減速機(jī)，絲杠參數(shù)采用直徑為32 mm，導(dǎo)程為20 mm的壓軋絲杠。

3.3 對(duì)石墨舟定位機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

如圖2所示，為目前設(shè)備所采用的石墨舟定位機(jī)構(gòu)。兩條通道的石墨舟傳輸?shù)焦杵》盼恢脮r(shí)，共用一個(gè)固定定位機(jī)構(gòu)，整體采用Q235碳鋼焊接，隨后由銑床加工到所需要的精度。通過(guò)兩側(cè)的活動(dòng)定位機(jī)構(gòu)將石墨舟的舟葉靠在固定定位機(jī)構(gòu)的平面上，通過(guò)石墨舟末端安裝的氣缸將舟靠齊到前端的定位件上，實(shí)現(xiàn)石墨舟的完全定位。

圖2 石墨舟定位機(jī)構(gòu)(新)

如圖3所示，兩條通道的石墨舟各自單獨(dú)使用一個(gè)固定定位機(jī)構(gòu)[1]。上下兩根定位條安裝在一個(gè)背板上，背板后有加強(qiáng)支撐柱安裝在底板上，多個(gè)零件疊加在一起，精度很難保證，且結(jié)構(gòu)單薄，承受的強(qiáng)度也有限，很難達(dá)到理想的定位效果。

圖3 石墨舟定位機(jī)構(gòu)(舊)

3.4 對(duì)硅片變節(jié)距機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

圖4為目前設(shè)備上采用的變節(jié)距機(jī)構(gòu)，主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用效果做了改進(jìn)。通過(guò)兩組氣缸的開合實(shí)現(xiàn)對(duì)成組硅片的夾緊矯正，由于原來(lái)的機(jī)構(gòu)中縱向兩塊夾緊板(零件1)較長(zhǎng)，只有上側(cè)固定，下側(cè)是自由的，導(dǎo)致下側(cè)開口處成收攏狀態(tài)，極易將硅片夾碎，因此，在下側(cè)也增加了一塊連接板(零件2)，保證兩塊夾緊板上下的間距一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)成組硅片的矯正。

圖4 變節(jié)距機(jī)構(gòu)

3.5 對(duì)機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨舟和硅片變節(jié)距機(jī)構(gòu)中硅片的取放，從而將未鍍膜的硅片放入石墨舟進(jìn)行PECVD工藝鍍膜，已鍍膜的硅片裝入下料變節(jié)距機(jī)構(gòu)傳輸?shù)?00片空籃具中，其中的吸片機(jī)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用，吸片機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件的加工精度和裝配精度影響著硅片的碎片率、壓迫、劃傷等參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，目前采用的結(jié)構(gòu)如圖5所示。相比較于圖6的結(jié)構(gòu)而言，有以下幾點(diǎn)好處：

1) 零件1與零件3螺接，靠定位銷實(shí)現(xiàn)二者之間的裝配精度，圖6中零件3采用定位槽的結(jié)構(gòu)，零件1 嵌入零件3的定位槽，對(duì)定位槽的加工精度要求較高。

圖5 機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)(新)

圖6 機(jī)器人吸片機(jī)構(gòu)(舊)

2) 零件1與成組的零件2螺接的兩排孔改到零件3的外側(cè)，主要是當(dāng)零件2需要拆卸時(shí)，可單獨(dú)拆卸，無(wú)需將整個(gè)吸片機(jī)構(gòu)拆開。

3) 圖6中吸片機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣孔在零件1上，零件2安裝于零件1上時(shí)中間需使用密封圈，防止漏氣，且由于密封圈的擠壓作用，零件2與零件1的垂直度很難保證，圖5將進(jìn)氣孔直接改到零件2上，安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需再加裝密封圈。

4) 圖5中的零件4真空吸嘴下邊緣增加了斜坡結(jié)構(gòu)，保證真空吸片機(jī)構(gòu)向下豎直插入石墨舟舟葉的間隙時(shí)，若有個(gè)別硅片經(jīng)高溫發(fā)生翹曲變形時(shí)，防止將其插碎。

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的全自動(dòng)石墨舟裝卸片機(jī)已批量應(yīng)用于客戶的實(shí)際生產(chǎn)中，硅片的碎片率大幅降低，碎片率≤0.05%，裝機(jī)效率大大提升，單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能≥4000片/小時(shí)，得到了客戶的高度認(rèn)可。隨著智能制造的發(fā)展，該設(shè)備已成功與AGV小車對(duì)接，并與MES進(jìn)行通訊，自動(dòng)化、智能化程度均躋身于行業(yè)前列。