任云星， 張奇巍

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

引言

硅片從原料到電池片需經(jīng)過(guò)制絨- 擴(kuò)散- 刻蝕-退火- 背鈍化-PECVD 鍍膜- 絲網(wǎng)印刷等工序[1]。隨著光伏行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各個(gè)廠家對(duì)各道工序的產(chǎn)能要求也越來(lái)越高[2]。

背鈍化工藝是給電池硅片表層鍍一層氧化鋁的工藝，以增加硅片的導(dǎo)電性能，是電池硅片生產(chǎn)的重要一環(huán)。主流背鈍化工藝生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)能也在逐步提高。以國(guó)內(nèi)某廠家背鈍化設(shè)備為例，2017 年該廠家背鈍化工藝設(shè)備單機(jī)產(chǎn)能為3 600 片/h，至2019 年，該設(shè)備三代機(jī)產(chǎn)能達(dá)到7 500 片/h，這需要對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化上下料設(shè)備產(chǎn)能至少要達(dá)到8 000 片/h。

本文通過(guò)研究背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)中硅片、花籃、托盤(pán)的傳輸流程，分析影響自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)能的因素，優(yōu)化硅片搬送機(jī)構(gòu)，改進(jìn)托盤(pán)傳送機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)硅片上料定位機(jī)構(gòu)，提升硅片下料傳輸速度，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備各循環(huán)的動(dòng)作流程，找到大幅提高產(chǎn)能的解決方案。

1 背鈍化上下料機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 背鈍化上下料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)的工作流程由3 個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成，即籃具循環(huán)系統(tǒng)、硅片傳輸系統(tǒng)、托盤(pán)循環(huán)系統(tǒng)。如圖1 所示，空心箭頭為籃具循環(huán)示意路線，實(shí)心箭頭為硅片循環(huán)系統(tǒng)示意路線，環(huán)形箭頭為托盤(pán)循環(huán)系統(tǒng)示意路線。

圖1 背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)流程示意圖

1.2 背鈍化上下料機(jī)的工作流程

籃具循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是提供硅片傳輸系統(tǒng)上料機(jī)構(gòu)所需的原始硅片，并接收硅片傳輸系統(tǒng)下料機(jī)構(gòu)完成背鈍化工藝的硅片。

硅片傳輸系統(tǒng)的主要作用是接收滿(mǎn)花籃里的原始硅片，傳輸完成背鈍化工藝的硅片到空花籃里。

托盤(pán)循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)托盤(pán)在工藝機(jī)臺(tái)和背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)之間循環(huán)，并在自動(dòng)化設(shè)備的取放片工位對(duì)托盤(pán)進(jìn)行精確定位；通過(guò)硅片下料搬送機(jī)構(gòu)將托盤(pán)里完成背鈍化工藝的硅片取出；通過(guò)硅片上料搬送機(jī)構(gòu)將硅片上料機(jī)構(gòu)中的原始硅片搬運(yùn)到托盤(pán)中。

三大循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同配合，完成硅片的背鈍化工藝生產(chǎn)。

2 背鈍化自動(dòng)上下料機(jī)的產(chǎn)能分析

背鈍化上下料設(shè)備以托盤(pán)為載體，可以通過(guò)計(jì)算單個(gè)托盤(pán)的循環(huán)時(shí)間，來(lái)測(cè)算設(shè)備產(chǎn)能。單個(gè)托盤(pán)的循環(huán)是指托盤(pán)定位完成，硅片搬運(yùn)機(jī)構(gòu)搬運(yùn)硅片；搬運(yùn)硅片完成后，托盤(pán)傳輸至托盤(pán)緩存機(jī)構(gòu)，下一個(gè)托盤(pán)進(jìn)入托盤(pán)定位機(jī)構(gòu)完成定位。

以現(xiàn)有6×9 型號(hào)托盤(pán)為例，每個(gè)托盤(pán)內(nèi)可裝有54 片硅片，設(shè)備要滿(mǎn)足8 000 片/h 的產(chǎn)能，則單個(gè)托盤(pán)的循環(huán)時(shí)間T 最大為

設(shè)備動(dòng)作流程分工位運(yùn)行，要求每個(gè)工位的運(yùn)行時(shí)間不大于TMAX?；@具循環(huán)系統(tǒng)可以提供充足硅片，接收工藝過(guò)的硅片，對(duì)產(chǎn)能沒(méi)有影響，這里不作分析。

托盤(pán)循環(huán)時(shí)間主要由硅片搬運(yùn)時(shí)間T1和托盤(pán)定位時(shí)間T2組成，因此需要滿(mǎn)足：

硅片傳輸系統(tǒng)需要硅片上料機(jī)構(gòu)提供充足硅片和硅片下料機(jī)構(gòu)需要及時(shí)運(yùn)輸完成工藝硅片。因此硅片上料排片定位時(shí)間T3、硅片下料傳送時(shí)間T4需滿(mǎn)足以下條件：T3＜TMAX；T4＜TMAX。

3 產(chǎn)能提升改進(jìn)方法

3.1 硅片搬送時(shí)間

3.1.1 硅片搬送流程優(yōu)化

硅片搬送部件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 硅片搬送部件結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察優(yōu)化，在托盤(pán)定位過(guò)程中，硅片下料搬運(yùn)機(jī)構(gòu)提前移動(dòng)到托盤(pán)上方進(jìn)行等待，待托盤(pán)定位完成后，下料搬運(yùn)機(jī)構(gòu)可以直接進(jìn)行取片，此項(xiàng)流程優(yōu)化可以減少硅片搬送時(shí)間1 s。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試吸盤(pán)吸片的響應(yīng)時(shí)間，吸盤(pán)電磁閥采用分組控制方式，可以提高整套吸盤(pán)響應(yīng)速度；更換大直徑吸盤(pán)，同時(shí)加大吸盤(pán)流量，可以提高吸片的穩(wěn)定性。實(shí)際測(cè)試中硅片吸放片時(shí)間由原來(lái)的0.6 s降到0.3 s，單個(gè)托盤(pán)循環(huán)中搬運(yùn)機(jī)構(gòu)吸、放片6 次，總計(jì)可以減少搬送時(shí)間1.8 s。

3.1.2 硅片搬送機(jī)構(gòu)速度優(yōu)化

硅片搬送機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)+減速機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪，然后帶動(dòng)固定在同步帶的搬送機(jī)械手進(jìn)行工作。伺服電機(jī)運(yùn)行速度曲線為梯形，在搬送總行程確定的情況下，提高速度，減少加減速時(shí)間都是可行方案。

通過(guò)軟件監(jiān)控現(xiàn)有設(shè)備伺服電機(jī)的扭矩輸出、速度、加速度曲線，再結(jié)合具體空間限制，將同步帶輪直徑減小20 mm，減速機(jī)減速比由15 降為10，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提下進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。

最終新型設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試硅片搬送時(shí)間T1由原來(lái)23.4 s 降為18.3 s。

3.2 托盤(pán)定位時(shí)間

托盤(pán)傳輸最大速度受到主機(jī)臺(tái)傳輸速度的限制，舊設(shè)備托盤(pán)傳送機(jī)構(gòu)采用交流電機(jī)+變頻器驅(qū)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)傳輸托盤(pán)的準(zhǔn)確定位，交流電機(jī)的加減速緩慢，導(dǎo)致托盤(pán)定位耗時(shí)太長(zhǎng)。新設(shè)備將托盤(pán)上層傳輸機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為伺服電機(jī)，在保證定位精度的同時(shí)，大幅度降低托盤(pán)定位時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，托盤(pán)定位時(shí)間T2由原來(lái)9.3 s 降到4.8 s。

新型設(shè)備：T1+T2=18.3+4.8=23.1s＜TMAX=24.3 s；滿(mǎn)足循環(huán)要求。

3.3 硅片上料排片定位時(shí)間

硅片從花籃經(jīng)過(guò)皮帶傳輸?shù)竭_(dá)排片定位組件，要求硅片位置誤差小于0.5 mm，角度誤差小于1°。為了滿(mǎn)足定位需求，傳輸過(guò)程中硅片經(jīng)過(guò)兩次定位，第一次采用氣缸矯正定位，第二次采用定位塊精準(zhǔn)定位，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，為了保護(hù)硅片不受損害，初次定位氣缸必須柔和、定位時(shí)間長(zhǎng)，為了提高產(chǎn)能，將初次定位裝置兩個(gè)方向的定位動(dòng)作分解到兩個(gè)工位，先進(jìn)行傳輸方向垂直方向的定位，并更換響應(yīng)速度更快的電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位裝置（見(jiàn)圖3）。定位完成后，硅片傳送到下一工位進(jìn)行傳輸方向定位，為了避免硅片矯正定位方式帶來(lái)的另一方向偏移，傳輸方向定位采用高精度傳感器檢測(cè)到硅片以后，皮帶運(yùn)行一段定長(zhǎng)以后精確停止，從而實(shí)現(xiàn)硅片傳輸方向的精準(zhǔn)定位。

圖3 硅片傳送定位結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖

最終設(shè)備改進(jìn)以后硅片上料排片定位時(shí)間T3由原來(lái)28 s 降到22.5 s，滿(mǎn)足T3＜TMAX。

3.4 硅片下料傳送時(shí)間

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，硅片下料機(jī)械手放片完成并抬升到高位以后，硅片傳輸皮帶才開(kāi)始動(dòng)作。硅片搬送機(jī)械手抬升時(shí)間被浪費(fèi)，將硅片傳輸皮帶啟動(dòng)時(shí)間提前一個(gè)節(jié)拍，放片完成以后，皮帶開(kāi)始動(dòng)作，每排硅片傳輸時(shí)間可以節(jié)約0.5 s，每個(gè)托盤(pán)周期可以節(jié)約1.5 s。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在保證硅片傳輸不堵片的情況下，盡可能提升皮帶速度，實(shí)際測(cè)試將電機(jī)轉(zhuǎn)速由原來(lái)4.2 r/s 提升到5 r/s，一方面保證硅片下料速度匹配硅片搬送下料機(jī)械手速度，不影響設(shè)備整體節(jié)拍；另一方面又不會(huì)因?yàn)楣杵瑐鬏斔俣冗^(guò)快，引起硅片在花籃內(nèi)停不穩(wěn)，撞擊后齒，造成硅片隱裂、崩邊等缺陷。

最終設(shè)備改進(jìn)以后硅片下料傳送時(shí)間T4由原來(lái)26.5 s 降到23.3 s，滿(mǎn)足T4＜TMAX。

4 設(shè)備改進(jìn)效果

經(jīng)過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)改進(jìn)，軟件改進(jìn)后產(chǎn)能有較大提升。優(yōu)化前和優(yōu)化后的對(duì)比如第61 頁(yè)表1 所示。

單個(gè)托盤(pán)循環(huán)時(shí)間由動(dòng)作流程中節(jié)拍最長(zhǎng)的流程決定，根據(jù)上述方法改進(jìn)設(shè)備，并跟蹤新一代設(shè)備在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，單個(gè)托盤(pán)循環(huán)時(shí)間由原來(lái)32.7 s 降低為現(xiàn)在23.3 s，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試自動(dòng)化設(shè)備實(shí)際產(chǎn)能由原來(lái)5 900 片/h 提升到8 200 片/h，產(chǎn)能提升38%，對(duì)比國(guó)內(nèi)主流背鈍化工藝設(shè)備產(chǎn)能，改進(jìn)后設(shè)備滿(mǎn)足各廠家背鈍化產(chǎn)能需求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)梳理現(xiàn)有背鈍化自動(dòng)上下料設(shè)備的工作流程，分析制約其產(chǎn)能提升的因素，找到各部件進(jìn)一步提速的方案，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備動(dòng)作節(jié)拍，在保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，最大化提升設(shè)備單機(jī)產(chǎn)能，既滿(mǎn)足客戶(hù)需求，又提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。