李 林,戴鑫輝,段景波,趙 曉,徐公志,喬 石
(青島高測科技股份有限公司,山東 青島 266114)
由于光伏發(fā)電具有無污染、無能源枯竭危險、不受地域限制等優(yōu)勢,使得近年來光伏行業(yè)發(fā)展迅速[1],光伏發(fā)電行業(yè)的相關技術也取得一定發(fā)展。
光伏行業(yè)中,一般將單晶硅棒或多晶硅棒經過開方、磨拋、切片等加工工序,最終形成硅片。其中磨拋是在開方后對硅棒沿長度方向的表面和棱進行磨削和拋光,使得硅棒的尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度達到一定標準,以進行后續(xù)的切片環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)光伏磨拋一體機因加工效率低,加工精度低,穩(wěn)定性差等缺點不能滿足光伏行業(yè)的快速發(fā)展需求。筆者針對現有磨拋一體機存在的問題,提出一種新的磨拋一體機設計方案,通過對磨拋一體機的實際生產和應用,驗證了此設計方案的可行性與先進性,可同時保證加工效率、加工精度和穩(wěn)定性,推動了國內光伏行業(yè)磨拋技術的發(fā)展,并為專用機床的設計提供參考。
磨拋過程中,對硅棒的4個棱進行擺圓弧磨削,對硅棒的4個平面進行平面磨拋,最終將硅棒加工成帶有4個圓弧的圓弧棒。
加工邊距公差0.1 mm,加工直徑公差0.1 mm,四平面相鄰平面夾角90°±0.08°,平面粗糙度Ra≤0.1 μm,圓弧面粗糙度Ra≤0.2 μm;此外,對硅棒的表面要求無面點、亮點、色差等缺陷。
如圖1所示,機床整體呈“中”字型布局。前端為上下料區(qū)域,中部為磨削區(qū)域,后部為排污水區(qū)域,機床包含底座組件、立柱框架組件、上下料組件、對中機構、進給滑臺機構、磨削組件、探針檢測組件,另外機床還包括潤滑系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、防護系統(tǒng)等部分。
圖1 磨拋一體機總體布局1.立柱框架組件 2.對中機構 3.底座組件 4.上下料支撐組件 5.下料組件 6.進給滑臺 7.上料組件 8.探針檢測組件 9.磨削組件 10.上下料組件
上下料部件包含上下料支撐組件、上料組件、下料組件。
上下料支撐組件用于支撐和驅動上料組件和下料組件。上下料支撐組件安裝于底座上,其包含兩套模組,分別用于驅動上料組件和下料組件沿模組平行方向移動,以進行硅棒的上下料。上下料組件結構如圖2所示。
圖2 上下料組件結構
上料組件安裝在上下支撐組件右側。將硅棒放置于抬升組件上,通過電缸伸縮來調節(jié)抬升組件的高度,間接調整硅棒豎直方向的位置;加緊板在氣缸作用下夾緊并調正硅棒。安裝在加緊板底部的探針會在夾緊時頂住硅棒,根據探針壓縮量計算出水平方向硅棒的寬度,確定硅棒水平的中心位置。上料組件結構如圖3所示。
圖3 上料組件結構1.氣缸 2.電缸 3.抬升組件
下料組件安裝于上下料支撐組件另一側,在模組驅動下可前后運動;下料組件包含氣缸和承接板,承接板在氣缸作用下向上運動承接磨削完的硅棒。
對中機構安裝于立柱框架上料側,用于對硅棒對中調整,測量硅棒長度和高度。對中機構通過電機驅動齒輪齒條運動,驅動與齒條相連接的對中板相向運動,加緊并調整硅棒至對中機構的中心位置,并根據夾緊板的加緊位置測量得到硅棒的長度尺寸;同時,對中機構背部安裝有氣缸探針,可用于檢測硅棒的高度,并確定硅棒豎直方向的中心位置。結合上料組件測得的硅棒水平方向的中心位置,可確定硅棒磨削的中心,以此中心為基準,硅棒進行鏡像尺寸的磨削。對中機構結構如圖4所示。
圖4 對中機構1.齒輪齒條機構 2.探針
進給滑臺安裝于立柱框架組件的導軌上,進給滑臺在滾珠絲杠機構驅動下,沿立柱框架長度方向前后移動。
進給滑臺含有動夾頭和定夾頭,定夾頭安裝固定在滑臺體殼上,動夾頭可在進給滑臺內部的滾珠絲杠機構驅動下前后移動,改變動夾頭和定夾頭之間的距離,用于夾持不同長度的硅棒。
動夾頭和定夾頭分別有一個旋轉電機,可在加緊硅棒后將硅棒以一定弧度擺動,實現對硅棒的圓弧磨拋。進給滑臺結構如圖5所示。
圖5 進給滑臺1.滾珠絲杠 2.動夾頭 3.滑臺體殼 4.定夾頭
本機床含有兩套探針檢測組件和四套磨削組件。其中四套磨削組件結構相同,兩套安裝粗磨砂輪后作為粗磨組件,兩套安裝精磨砂輪后作為精磨組件,粗磨組件安裝于底座組件前端,精磨組件安裝于底座組件后端;此布局方式可保證同時對硅棒的兩個面進行磨拋,提高加工效率。兩套探針檢測組件安裝在粗磨組件的安裝座上,探針在氣缸驅動下可前后伸縮,用于對硅棒進行尺寸檢測。
下面就一套磨削組件進行結構介紹。磨削組件布局如圖6所示,單套磨削組件結構如圖7所示。
單套磨削組件包含垂直運動組件、水平運動組件和旋轉組件。
旋轉組件:旋轉電機通過聯軸器與軸承箱相連,帶動與軸承箱端部相連的杯型砂輪進行旋轉,軸承箱安裝在滑動支座內部。
垂直運動組件:氣缸固定在進給基座上且其伸縮軸和軸承箱外殼相連,旋轉組件隨氣缸伸縮可沿豎直導軌方向到達上下兩個極限位置。硅棒進行面的磨削時,氣缸伸縮軸收縮,旋轉組件位置上升,使用杯型砂輪的中間位置進行磨削;進行擺圓弧磨削時,氣缸伸縮軸伸長,旋轉組件位置下降,使用杯型砂輪的上邊緣位置進行磨削。
圖6 磨削組件布局1.粗磨組件 2.探針檢測組件 3.精磨組件
圖7 單套磨削組件1.垂直運動組件 2.砂輪 3.水平運動組件 4.旋轉組件
水平運動組件:硅棒每次磨削時砂輪所處的水平位置不同,電機通過驅動滾珠絲杠機構使進給基座沿水平導軌方向前后運動。由此可實現單次磨削吃刀量的調整,并根據相對稱兩砂輪的距離,決定硅棒的最終磨削尺寸。
探針檢測組件用于測量硅棒的面距尺寸和棱距尺寸,實際磨削工作時,在粗磨削前,探針檢測組件測量未磨削硅棒尺寸,自動計算單次粗磨量和粗磨次數并保留精磨余量;粗磨削結束后,探針檢測硅棒尺寸,計算單次精磨量和精磨次數,精磨削結束后,探針檢測硅棒尺寸。
立柱框架采用8 mm厚方管焊接而成,進行一次退火處理,消除焊接應力。立柱框架頂部安裝有導軌滑塊,進給滑臺沿立柱框架的導軌方向運動。
底座采用HT250材料鑄造,兩次退火處理,消除絕大部分鑄造內應力。底座組件設有立柱框架組件和磨削組件的安裝面,且底座組件尾部設有排水口。
設備配有自動潤滑系統(tǒng),潤滑泵對機床各潤滑點間歇性供油潤滑,潤滑系統(tǒng)可實現油壓調節(jié)、堵塞報警,潤滑周期和單次注油量由系統(tǒng)控制。
采用水泵加壓供水,在粗磨組件和精磨組件砂輪磨削處設有出水口,用于對砂輪冷卻降溫,同時沖洗磨削時產生的硅粉,沖屑水沿機床底座上的排水口排出并集中處理。
機床采用半封閉式防護,僅保留上下料通道和滑臺進入磨削區(qū)域的通道,保證生產人員的安全。
該磨拋一體機的工作過程如下:自動化聯機上料,將硅棒送至上料組件的硅棒放置面;上料組件夾緊硅棒同時完成硅棒水平方向寬度測量,并運送硅棒至對中機構位置;對中機構夾緊硅棒至中心位置,同時測量出硅棒長度和高度;根據已有的硅棒高度和寬度尺寸,上料組件運送硅棒至進給夾持位置;進給滑臺夾持硅棒并送至磨削區(qū)域,磨削組件對硅棒進行粗磨和精磨,磨削過程包含尺寸檢測;下料組件運行至落料區(qū),進給滑臺退回至原位置并將硅棒放到下料臺組件;磨削過程結束。
本機床的設計和研究,可實現從上料、磨削、檢測、下料的全自動化運行,并且容易實現系列設備的聯機自動化;同時對硅棒的兩個面或棱進行磨拋,兼顧了磨削效率和磨拋精度。經實際磨拋試驗,在滿足磨拋精度的前提下,可將680 mm長硅棒的磨拋時間控制在30 min內,磨拋效率和精度得到業(yè)界認可。磨拋一體機設備技術水平處于國內前列。
該磨拋一體機的設計,提高了國內硅棒磨拋技術水平,一定程度上推動了專用機床技術的發(fā)展。但要認識到,光伏行業(yè)硅棒的磨拋加工受前道開方精度、砂輪壽命、程序算法等多種因素影響,涉及機械、電氣控制、材料等多個領域,光伏行業(yè)硅棒磨拋技術的進一步發(fā)展離不開多領域的共同進步[2],任重道遠。