折 飛，薛珺天

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

太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源，有著巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。隨著全球能源形勢(shì)趨緊，太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)發(fā)展的能源，于近年來(lái)得到迅速發(fā)展。光伏自動(dòng)化行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，降本增效，提高設(shè)備穩(wěn)定性及產(chǎn)品合格率成為各自動(dòng)化企業(yè)努力的方向[1]。多晶硅片由于自身的物理結(jié)構(gòu)特性，在經(jīng)過(guò)制絨、清洗和擴(kuò)散以后，到達(dá)刻蝕下料時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)隱裂片甚至碎片，給刻蝕下料機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行增加了難度[2]。本文分析了下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比，以及造成返工片數(shù)量的對(duì)比。

1 現(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分析

刻蝕下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是將刻蝕后的硅片翻轉(zhuǎn)180°后經(jīng)下料機(jī)裝入花籃。現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)桿為直桿型，如圖1所示?，F(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與刻蝕機(jī)臺(tái)交接處沒(méi)有收片盒，當(dāng)吸盤(pán)出現(xiàn)漏吸時(shí)，氣缸將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頂起，硅片直接通過(guò)下料機(jī)皮帶流入收片盒?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：1) 刻蝕機(jī)中流出的碎片流到下料機(jī)時(shí)容易造成卡片；2) 五道中任何一張硅片遮擋到對(duì)接傳感器，氣缸會(huì)頂起翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致一排硅片流入收片盒，造成不必要的返工片。

1.1 碎片分析

硅片在經(jīng)過(guò)多道工序流入刻蝕機(jī)時(shí)，會(huì)有許多隱裂片，經(jīng)過(guò)刻蝕機(jī)出來(lái)后就很有可能變成碎片，現(xiàn)有的下料機(jī)在與刻蝕機(jī)對(duì)接處沒(méi)有收片盒，只能將碎片流入下料機(jī)，如果操作人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)造成堵片，從而影響機(jī)臺(tái)穩(wěn)定性。

圖1 現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

1.2 返工片分析

當(dāng)隱裂片從刻蝕機(jī)中流出時(shí)，如果吸盤(pán)吸片過(guò)程中造成了碎片，剩下漏吸的半張硅片就會(huì)遮擋對(duì)接處傳感器，觸發(fā)氣缸頂起翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，刻蝕機(jī)內(nèi)硅片直接流入下料機(jī)收片盒，造成大量返工片，不僅浪費(fèi)了人力物力，也增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。因此，改進(jìn)下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，減少返工片數(shù)量，就顯得很有必要了。

2 下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)下料返工片多的情況，我們?cè)诳涛g機(jī)和下料機(jī)中間加裝一個(gè)收片盒，用來(lái)收集從刻蝕機(jī)中流出的碎片，并在刻蝕機(jī)出口位置加裝5組(每組2個(gè))漫反射傳感器，用來(lái)檢測(cè)是否為碎片，如果是碎片，該道吸盤(pán)不吸片，碎片自然流入收片盒，其他4道正常翻片，這樣就減少了不必要的返工。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)桿為直桿型，碎片在流入下料機(jī)與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)接處加裝的收片盒時(shí)，有時(shí)候硅片會(huì)卡在翻轉(zhuǎn)桿下沿，不能順利掉落到收片盒中，而卡住的硅片又會(huì)影響后一排正常吸片，由此惡性循環(huán)，造成刻蝕機(jī)內(nèi)堵片。因此，需要重新設(shè)計(jì)一種翻轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)，不影響硅片掉落的過(guò)程，從而能夠正常吸片，減少了碎片和返工片的數(shù)量。

經(jīng)過(guò)分析，將直桿型翻轉(zhuǎn)桿改為U型桿，可以有效地避開(kāi)硅片滑落到收片盒的軌跡。

2.2 尺寸確定

在大致的結(jié)構(gòu)外形確定后，需要進(jìn)一步確定U型翻轉(zhuǎn)桿的尺寸，以保證翻轉(zhuǎn)桿尺寸最優(yōu)的情況下能夠讓硅片順利滑落。我們定義翻轉(zhuǎn)桿的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，突起部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，突起高度為H，如圖2所示。

圖2 U型翻轉(zhuǎn)桿尺寸定義

我們定義硅片自身重量為Mg，硅片與滾輪的靜摩擦系數(shù)為μ，滾輪垂直于硅片的支持力為F，硅片與水平方向的夾角為a，重力可以分解為垂直于硅片的正壓力Fn和平行于硅片的拉力F1，做出的受力分析如圖3所示。

圖3 受力分析

已知=F1Mg·sina，F(xiàn)n=Mg·cosa，根據(jù)受力平衡，可以得出以下公式：

Mg·sina=Mg·cosa·μ.

H=d/2·sina.

由公式計(jì)算得出H約為58 mm，翻轉(zhuǎn)桿尺寸L1至少要大于d/2，硅片才能順利掉落，結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)情況，我們?nèi)1為142 mm，取L為329 mm。借鑒之前做過(guò)的翻轉(zhuǎn)桿最長(zhǎng)為380 mm，因此這次L為329 mm的翻轉(zhuǎn)桿不存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大的情況。

3 優(yōu)化前后對(duì)比

下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造后，硅片能夠順利地滑落到收片盒中，減少了返工片和碎片的數(shù)量，節(jié)約了人力時(shí)間，提高了產(chǎn)能。優(yōu)化后的下料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后碎片滑落過(guò)程

優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于某客戶現(xiàn)場(chǎng)，表1為優(yōu)化前單臺(tái)一個(gè)班統(tǒng)計(jì)的返工片數(shù)據(jù)，表2為優(yōu)化后單臺(tái)一個(gè)班統(tǒng)計(jì)的返工片數(shù)據(jù)。

表1 優(yōu)化前返工片統(tǒng)計(jì)表

表2 優(yōu)化后返工片統(tǒng)計(jì)表

由表1和表2中數(shù)據(jù)得知，翻轉(zhuǎn)桿優(yōu)化前硅片返工率為0.70%，優(yōu)化后返工率為0.41%，優(yōu)化后返工片數(shù)量比優(yōu)化前減少了41.4%，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，得出硅片的碎片和返工片較多的原因，并對(duì)翻轉(zhuǎn)桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算得出翻轉(zhuǎn)桿的精確尺寸。優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于未優(yōu)化前，硅片返工率有了大幅度的降低，節(jié)約了企業(yè)成本，提高了設(shè)備產(chǎn)能以及設(shè)備穩(wěn)定性，為后續(xù)設(shè)備的運(yùn)用提供了良好的借鑒。