段景波 解培玉 崔陳晨

(青島高測科技股份有限公司 山東青島266114)

目前，市場上用的截斷機、開方機、磨拋一體機都是單臺加工棒料，然后人工搬運到另外一臺設(shè)備加工，需要經(jīng)常調(diào)整上棒、下棒位置，操作非常不便，且勞動強度高、需用操作工數(shù)量多，用這類設(shè)備的企業(yè)，經(jīng)濟效益越來越差，為了扭轉(zhuǎn)局面，實現(xiàn)晶硅加工的自動化，并提高各種加工設(shè)備的利用率是要重點解決的問題。

太陽能屬于可再生能源的一種，具有儲量大、永久性、清潔無污染、可再生、就地可取等特點，因此成為目前人類所知可利用的最佳能源選擇。自二十世紀五十年代美國貝爾實驗室三位科學(xué)家研制成功單晶硅電池以來， 光伏電池技術(shù)經(jīng)過不斷改進與發(fā)展，目前已經(jīng)形成一套完整而成熟的技術(shù)。自2017年以來，行業(yè)繁榮興盛，新投資規(guī)劃層出不窮，光伏市場擴產(chǎn)需求急劇增大。全球光伏新增裝機容量增速達28%，中國裝機容量增速達54%，行業(yè)規(guī)模擴張拉動電池設(shè)備需求。

使用單線截斷機對毛棒進行截斷加工，每次截斷一根棒料一個刀口，開方單元采用雙線且線間距無級可調(diào)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)閉環(huán)控制，自動修正開方尺寸；磨倒單元可滿足粗磨、精磨、單面、單弧單獨加工控制功能。各個環(huán)節(jié)的工序?qū)崿F(xiàn)全自動化流轉(zhuǎn)，無需人工參與正常棒料的流轉(zhuǎn)加工，對加工產(chǎn)生的頭尾料、邊皮料等，可以人工拾取，也可以根據(jù)需要用自動傳送帶集中處理。

1 單元化布局

綜合考慮各環(huán)節(jié)的加工效率匹配，截斷環(huán)節(jié)采用單刀單根棒料切割，每次切割一根棒子的一個端面，每刀切割時間在10分鐘以內(nèi)，與開方及磨倒的產(chǎn)能匹配做到 1：2：3，即一臺截斷對應(yīng)兩臺開方和三臺磨倒，該最小單元的產(chǎn)能是 0.25GW，以根據(jù)實際情況定期升級，增加機械手、截斷機、開方機和磨拋一體機的數(shù)量，實現(xiàn)產(chǎn)能增加，靈活、方便，如圖1所示。

圖1 整體布局圖

1）截斷單元

采用單線但刀口切割和簡易版控制原理，即只有收放線及兩個切割導(dǎo)輪，結(jié)構(gòu)極其簡單，穩(wěn)定性高。放線電機和收線電機分別采用速度和扭矩控制，中間的阻力慣量在設(shè)計時會充分考慮降低，這樣運行精度會更高，如圖2所示。

圖2 截斷機布局圖

2）開方單元

采用雙線，兩根金剛線豎直分布，兩線間距通過伺服在線調(diào)整，增加傳感器，做半閉環(huán)控制，開方余量降低，為磨倒產(chǎn)能提高做鋪墊。目前常規(guī)開方余量1 mm，單邊0.5 mm，如果開方控制精度提高，把余量做到0.6 mm，單邊0.3 mm，這樣磨倒環(huán)節(jié)就能提高40%的產(chǎn)能，通過市場調(diào)研了解，這個開方余量控制是可行的，如圖3所示。

圖3 開方機布局圖

3）磨削單元

開方后硅棒平面磨削采用杯形砂輪垂直于磨削表面進給的方式進行磨削，由左右兩片砂輪同時進給磨削，磨削完后工件旋轉(zhuǎn)90°，然后進行另外兩個平面的磨削，如圖4所示。

圖4 磨倒一體機布局圖

2 產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)

1）截斷工序

毛棒直徑：Φ150～Φ240 mm

毛棒長度：1500～6500 mm

切割段長：100～750 mm

切割質(zhì)量簡圖如圖5所示。

圖5 截斷后硅棒質(zhì)量簡圖

2）開方工序

加工長度：100～750 mm

加工圓棒規(guī)格：6～8.5吋

加工直徑：Φ150～Φ240 mm

切割質(zhì)量簡圖如圖6所示。

圖6 開方后硅棒質(zhì)量簡圖

3）磨削工序

加工邊距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）

加工直徑：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）；

毛棒直徑：Φ150～Φ240 mm

加工倒角：C0.2～C10 mm，在以上范圍可調(diào)；(圓弧和平角均可滿足)

加工質(zhì)量簡圖如圖7所示。

圖7 磨削后硅棒質(zhì)量簡圖

3 產(chǎn)品的有益效果

(1)該加工單元的自動化程度高，產(chǎn)能穩(wěn)定、風(fēng)險分散，可靠性更好。

(2)加工精度高，分體式布局各設(shè)備均可采用行業(yè)內(nèi)頂級設(shè)備進行整合，提升整體產(chǎn)品品質(zhì)，設(shè)備分體減少設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響程度，便于設(shè)備維護及升級。

(3)節(jié)省人工，全自動化運行，物料搬運等環(huán)節(jié)全由機械手代替。

(4)有升級空間，按工廠實際產(chǎn)能需求，增加機械手、截斷機、開方機和磨拋一體機的數(shù)量，實現(xiàn)產(chǎn)能增加，靈活、方便。

(5)整個加工單元采用的獨立設(shè)備，用機械手靈活的在各種設(shè)備之間轉(zhuǎn)運晶硅，可以機動靈活的切換模式，比如隨時可以單獨拉出一臺磨拋一體機或者開方機做實驗，而不影響其余設(shè)備的正常運行。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1）截斷技術(shù)

(1)采用單線切割形式，每次切割一根棒料的一個刀口；

(2)采用簡易版控制原理，即只有收放線及兩個切割導(dǎo)輪，結(jié)構(gòu)極其簡單，穩(wěn)定性高。放線電機和收線電機分別采用速度和扭矩控制，中間的阻力慣量在設(shè)計時會充分考慮降低，這樣運行精度會更高；

(3)滿足常規(guī)截斷功能之外，還能取樣片切割；

(4)與開方單元的對接，采用機器人把截斷后的圓棒轉(zhuǎn)送到開方機上料工位上。

2）開方技術(shù)

(1)采用雙線，兩根金剛線豎直分布，兩線間距通過伺服在線調(diào)整；

(2)簡化中間過渡輪系，做到過渡輪最少，降低控制干擾。導(dǎo)輪采用可更換式高分子材料，使用壽命是常規(guī)輪子的6倍左右；

(3)邊皮夾具，采用翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)式基座結(jié)構(gòu)，棒料先由定中心夾頭夾緊，快速移動到金剛線待切位置，切割完畢后，邊皮夾具松開、邊皮掉落到皮帶機上，進行邊皮回收；

(4)線網(wǎng)間距無極可調(diào)，實現(xiàn)開方后的切棱功能，大大縮短磨倒設(shè)備上磨棱，減少磨削損耗；

(5)與磨倒對接，開方完成后，機器人自動搬運棒料到磨倒一體機的上料臺上，磨倒設(shè)備檢測到來料后，自動開始磨倒。

3）磨削技術(shù)

(1)檢測硅棒高度以計算硅棒高度中心，保證硅棒夾持在回轉(zhuǎn)中心上，夾持后的硅棒通過測量各面及直徑后計算出加工余量；(2)工件在磨削完一組平面后進行旋轉(zhuǎn)分度，分度精度誤差將會直接影響工件各面的垂直度。倒角時回轉(zhuǎn)精度也將影響加工節(jié)拍及質(zhì)量；(3)硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力，對砂輪主軸剛度要求較高，砂輪主軸的徑向跳動將會影響砂輪運轉(zhuǎn)軌跡，從而影響磨削表面質(zhì)量，同樣砂輪主軸的軸向竄動將會引起砂輪的進給不穩(wěn)，影響主軸使用壽命及磨削表面質(zhì)量；(4)需對砂輪進行修整，以及修整后的補償，以保證磨削硅棒的尺寸；(5)砂輪磨削時產(chǎn)生大量的熱量，冷卻不充分將會導(dǎo)致砂輪使用壽命降低，為了有良好的清洗砂輪作用，應(yīng)使液流出口速度高于砂輪圓周速度；(6)磨削加工一般分為粗磨、精磨、光磨三個階段，合理的分配加工余量，不僅能保證工件的加工質(zhì)量，同時也提高了加工節(jié)拍。

5 結(jié)語

該單元內(nèi)部是一個高度自動化的系統(tǒng)，正常生產(chǎn)無需人工干預(yù)，在來料接口和成品料輸送接口上，也可以便捷地與客戶整廠自動化進行對接。這種分散式自動化單元，即能實現(xiàn)高度自動化要求，又能避免因局部環(huán)節(jié)故障而造成大面積停機，避免大面積產(chǎn)能波動。

本單元包含一臺單刀截斷機、一臺雙線開方機、一臺磨倒一體機，以及一套配套的機器人裝置。這些基礎(chǔ)都做好后，便可以根據(jù)用戶產(chǎn)能大小進行組合，簡單、方便、靈活，今后一定會在客戶實際運作中發(fā)揮智能化優(yōu)勢，取得良好的經(jīng)濟和社會效益。