近年來(lái)隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展,自動(dòng)化設(shè)備在太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)線上得到廣泛的運(yùn)用。在工藝設(shè)備產(chǎn)能不斷增長(zhǎng)的背景下,對(duì)光伏自動(dòng)化設(shè)備的產(chǎn)能要求也越來(lái)越高。本文主要結(jié)合太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)制造過(guò)程中硅片的上下料工藝，與傳統(tǒng)上下料工藝的進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)分析了太陽(yáng)能自動(dòng)化設(shè)備全自動(dòng)硅片裝片上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)、特性以及工作流程等。
摘要：
近年來(lái)隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展,自動(dòng)化設(shè)備在太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)線上得到廣泛的運(yùn)用。在工藝設(shè)備產(chǎn)能不斷增長(zhǎng)的背景下,對(duì)光伏自動(dòng)化設(shè)備的產(chǎn)能要求也越來(lái)越高。本文主要結(jié)合太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)制造過(guò)程中硅片的上下料工藝，與傳統(tǒng)上下料工藝的進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)分析了太陽(yáng)能自動(dòng)化設(shè)備全自動(dòng)硅片裝片上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)、特性以及工作流程等。
隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出，太陽(yáng)能作為可再生的環(huán)保能源已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在電池行業(yè)中，最沒有污染、市場(chǎng)空間最大的應(yīng)該是太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池的研究與開發(fā)越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛重視，國(guó)內(nèi)外很多大公司相繼投入到太陽(yáng)能電池的研發(fā)和生產(chǎn)中。太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使得對(duì)電池硅片的性能要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的硅片上下料采用的是人工上下料方式，容易造成硅片的污染，增加硅片碎片率，效率低下。
而全自動(dòng)硅片上下料機(jī)能夠克服人工上下料的缺點(diǎn)，并且具有自動(dòng)化程度高、操作方便、工藝一致性有保證、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。能夠極大地提高我國(guó)太陽(yáng)能光伏行業(yè)電池生產(chǎn)整線的自動(dòng)化水平，提升電池片的品質(zhì)，這對(duì)太陽(yáng)能光伏行業(yè)的持續(xù)發(fā)展起到了推動(dòng)作用。目前使用的全自動(dòng)硅片上下料機(jī)每小時(shí)3600片/小時(shí)的產(chǎn)能已落后于工藝設(shè)備的發(fā)展要求，迫切需要一種工藝好、效率高、能滿足日益增長(zhǎng)的產(chǎn)能要求的全自動(dòng)硅片上下料機(jī)。
全自動(dòng)硅片上料機(jī)，主要應(yīng)用在制絨工序、刻蝕工序等多個(gè)生產(chǎn)工序中。主要目的就是減少人工操作與硅片的接觸，降低硅片的污染，提高轉(zhuǎn)換效率，從而**降低生產(chǎn)成本。
一、設(shè)備簡(jiǎn)介和工藝流程
1.主要技術(shù)指標(biāo)
⑴產(chǎn)能：≥4000片/小時(shí)
⑵碎片率：≤0.03%
⑶工位數(shù)：5工位（在線設(shè)備為5道滾輪設(shè)計(jì)）
⑷設(shè)備適用于156×156(±0.5mm)規(guī)格的硅片。
⑸速度匹配功能：可按工藝的速度自動(dòng)調(diào)整。
⑹稱重功能：可按定時(shí)或定量進(jìn)行稱重。
⑺Uptime:≥98%；
2.設(shè)備結(jié)構(gòu)
設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括：上料位、上料位升降機(jī)構(gòu)、分片結(jié)構(gòu)、傳送裝置、稱重機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等。如圖1所示。
1.2.1上料位
上料位主要功能是將放有硅片的花籃，送到機(jī)械手的工作位置。本設(shè)備采用電缸加吸盤的方式，吸盤組件由電缸驅(qū)動(dòng)，兩側(cè)供料，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。如圖2所示。
1.2.2傳送裝置
由于傳送裝置屬于全自動(dòng)上下料設(shè)備的核心部件，整個(gè)傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性。
傳送結(jié)構(gòu)主要包括緩沖結(jié)構(gòu)、一級(jí)傳輸、二級(jí)傳輸、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)四個(gè)部分。硅片在放置到傳送皮帶前先接觸到緩沖結(jié)構(gòu)以減少硅片下落時(shí)受到的沖擊。運(yùn)行硅片的皮帶分為一級(jí)傳輸帶與二級(jí)傳輸帶兩段，二級(jí)傳輸帶速度為一級(jí)傳輸帶三分之二，主要是起到減小硅片進(jìn)入籃具所受到的沖擊力。
傳送皮帶采用質(zhì)地柔軟的圓皮帶，減少與硅片的接觸面積，避免損傷和污染硅片。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保證了硅片能順利進(jìn)入籃具，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)選取圓弧鋼化玻璃為主要導(dǎo)向材料，既減小了硅片與導(dǎo)向材料接觸所受的沖擊力又保證了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的耐用性。
1.2.3稱重機(jī)構(gòu)
為了增加光子的吸收率、去除硅片表面的玷污和機(jī)械損傷層等，需要對(duì)硅片進(jìn)行制絨處理。在制絨工序和刻蝕工序中硅片減重量是一個(gè)非常重要的參考指標(biāo)。
在線稱重系統(tǒng)可以將硅片原重、硅片腐蝕后重、以及腐蝕量數(shù)據(jù)上傳至電腦，并以X-Bar控制圖的SPC模式顯示；腐蝕量超出規(guī)格時(shí)，鏈?zhǔn)街平q自動(dòng)化設(shè)備會(huì)給出相應(yīng)報(bào)警信息。稱重單元選擇日本A&D在線式稱重單元，稱重機(jī)架要單獨(dú)出來(lái)，具有抗變形能力和防振能力，稱體需要嚴(yán)格密封，外面氣流會(huì)對(duì)稱重結(jié)過(guò)有影響。含稱重單元上下料系統(tǒng)控制圖，如圖3所示。
1.3設(shè)備工藝流程
設(shè)備主要工作流程主要包括：
�、虐阉膫�(gè)裝滿硅片的專用籃具分別放到兩側(cè)上料位；
⑵伺服電機(jī)帶動(dòng)硅片向上移動(dòng)到指定位置；
�、莾山M電缸分別帶動(dòng)兩組吸盤組件運(yùn)動(dòng)到吸片位置；
�、却禋夥蛛x裝置開始工作；
�、伤慕M吸盤同時(shí)吸取硅片，一次共吸取四組硅片，并輪流把硅片放于皮帶上；
�、蕛山M電缸繼續(xù)吸取硅片，通過(guò)程序控制硅片傳送，保證與工藝設(shè)備對(duì)應(yīng)的⑺傳送料道上只有5組硅片；
�、坦杵瑐魉瓦^(guò)程中，如檢測(cè)到有雙片，設(shè)備暫停并報(bào)警，提示人工干預(yù)；
�、蛡魉蛶ч_始工作，把硅片送入到5道在線工藝設(shè)備中。
2設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.1速度匹配功能
進(jìn)口工藝設(shè)備的速度匹配，需要工藝設(shè)備開放通訊端口，上下料設(shè)備與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊，采集當(dāng)前速度信號(hào)來(lái)進(jìn)行匹配。但進(jìn)口工藝設(shè)備一般不提供二次開發(fā)的平臺(tái)，導(dǎo)致通訊無(wú)法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，采集工藝設(shè)備轉(zhuǎn)軸角速度信息來(lái)匹配
速度。通過(guò)光電傳感器檢測(cè)速度碼盤的信號(hào)，在一個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)數(shù)，計(jì)算出工藝設(shè)備的角速度值，再根據(jù)上下料機(jī)和工藝設(shè)備旋轉(zhuǎn)半徑比值關(guān)系，最后計(jì)算出上下料設(shè)備的匹配速度值。
2.2硅片吸取結(jié)構(gòu)
硅片吸取結(jié)構(gòu)是負(fù)責(zé)將硅片由疊片盒抓取到傳輸皮帶的結(jié)構(gòu)。它包含電動(dòng)執(zhí)行器、吸盤氣缸、緩沖器、真空吸盤、固定架。真空吸盤采用非接觸吸盤減少與硅片接觸用于硅片吸取，緩沖器可以減小真空吸盤吸取硅片時(shí)對(duì)硅片作用力，電動(dòng)執(zhí)行器與吸盤氣缸用于吸取硅片的左右與上下運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到了硅片裝片效率與碎片率：采用較小的真空吸附力吸取硅片；采用緩沖方式減少對(duì)硅片沖擊損傷；采用高速運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行器提高裝片效率。
2.3籃具升降機(jī)構(gòu)
籃具升降機(jī)構(gòu)采用高精度、高速、低慣量交流伺服電機(jī)控制籃具直線系統(tǒng)精確移動(dòng)，同時(shí)由編碼器提供反饋信息，形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)既高速又精確的移動(dòng)。花籃在籃具托盤上的定位采用斜面或者圓孔定位，可加裝可調(diào)限位塊和定位銷，穩(wěn)定可靠。對(duì)不同規(guī)格籃具只需簡(jiǎn)單的調(diào)整定位銷即可。
2.4同步導(dǎo)向系統(tǒng)
同步導(dǎo)向系統(tǒng)如下圖所示，驅(qū)動(dòng)滑輪直接帶動(dòng)硅片傳送皮帶傳送硅片，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滑輪通過(guò)轉(zhuǎn)向圓皮帶的正交傳送驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向平皮帶，確保導(dǎo)向與硅片傳送的同步。平皮帶之間的距離可通過(guò)導(dǎo)向調(diào)整板調(diào)節(jié)。同步導(dǎo)向系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向與硅片的同步，既保證了硅片傳送過(guò)程中無(wú)損傷，又**延長(zhǎng)了導(dǎo)向的更換周期。且調(diào)節(jié)更換方便。
2.5吹氣分離結(jié)構(gòu)
如果在上料位的硅片不能輕易的分開，這樣幾塊硅片就會(huì)粘在一起，吸盤不能把硅片吸起來(lái)，導(dǎo)致效率降低；而如果粘在一起的幾個(gè)硅片被吸起來(lái)，在高速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，又有可能造成處在下面的硅片脫落，產(chǎn)生碎片。
為了把上料位的硅片輕易的分開，上料位采用了兩側(cè)加裝吹氣分離裝置，潔凈壓縮空氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓、節(jié)流，進(jìn)入一個(gè)末端是細(xì)縫的吹氣柱，并且細(xì)縫方向和硅片是垂直的。這樣從細(xì)縫里產(chǎn)生的氣流是垂直的、有層次的，就能把最上面的硅片有層次的、輕易的吹開，便于硅片吸取結(jié)構(gòu)中的真空吸盤對(duì)硅片吸附，既提高了設(shè)備的效率又降低了硅片的碎片率。
2.6電氣控制系統(tǒng)
電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心部分，控制系統(tǒng)的硬件主要由觸摸屏、PLC、伺服電機(jī)、電動(dòng)執(zhí)行器、氣缸、電磁閥、按鈕和傳感器組成。利用可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡(jiǎn)稱PLC），按照相應(yīng)的工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，控制上料機(jī)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)垂直方向的精確、高速運(yùn)行，而且移動(dòng)速度和方向可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整等功能。
在具體操作過(guò)程中，通過(guò)在觸摸屏上輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)，設(shè)備即可按照預(yù)設(shè)程序運(yùn)行。與傳統(tǒng)的人工控制操作相比，具備著控制性好，可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定；模塊化設(shè)計(jì)；自動(dòng)化程度高；具備良好的設(shè)備自診斷模塊，故障分析模塊；具備良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)。從而**提高電池片的成品率和生產(chǎn)效率。
3結(jié)語(yǔ)
太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是成本的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)產(chǎn)裝備的發(fā)展符合降低成本的大方向，本項(xiàng)目研制的全自動(dòng)硅片上料機(jī)有以下特點(diǎn)：
�、胚\(yùn)行穩(wěn)定性好，不但能滿足裝片效率需求，同時(shí)**降低人工裝片的碎片率,減少手指與硅片的接觸，避免硅片受到污染。
⑵操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，適用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線中多個(gè)工序，兼容單晶和多晶硅片，可滿足不同尺寸硅片的上下料要求。
背靠全球增長(zhǎng)最為迅猛的地區(qū)，擁有巨大的本土市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)一流光伏企業(yè)真正認(rèn)識(shí)到?jīng)]有國(guó)產(chǎn)設(shè)備的支撐，中國(guó)的光伏企業(yè)將喪失最主要的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)裝備制造商也清醒的認(rèn)識(shí)到作為技術(shù)要求要略低一些的光伏設(shè)備也正是國(guó)內(nèi)企業(yè)可大有作為的中低端設(shè)備領(lǐng)域。
本項(xiàng)目利用現(xiàn)有成熟的硅片上下料工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)，制造適用于大規(guī)模生產(chǎn)的，滿足各工序間周轉(zhuǎn)和傳遞的全自動(dòng)硅片上下料機(jī)，隨著性能的不斷提高，前景會(huì)更加美好。
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