槽式单面制绒插片机的研制

2018-07-02张奇巍赵忠志

山西电子技术 2018年3期

张奇巍，赵忠志

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

太阳能电池因其永久性、清洁型和灵活性的特点越来越受到人民的青睐，近年来的太阳能电池行业有着飞速的发展[1]。电池片生产工艺流程中的第一道工序是制绒[2]，随着电池片制绒工艺的提升，槽式单面制绒技术逐渐兴起。由于槽式单面制绒可以在提高产能的同时减少了酸碱等化学品的使用，节约了制造电池片的成本，因此受到各大电池片制造企业的重视。

图1 单面制绒插片机结构示意图

槽式单面制绒技术对插片自动化设备有以下几点技术难点：1.100/120齿花篮的各个齿中需要插入两张硅片；2.硅片搬送效率的提升，要求单工位产能≥5 000片/小时；3.吸盘对硅片无污染。本文针对槽式单面制绒对自动化设备的要求，研制出一种可大规模投产的自动化设备，其结构示意图如图1所示。其主要结构有：空花篮传送、满花篮传送、花篮升降、硅片传送、硅片搬送、叠片升降。

1 一齿两片技术

1.1 结构设计

1) 硅片传送机构固定在设备机架上，设计有传送电机、传送皮带、气缸、电磁阀、吹气板等，传送电机和传送皮带用于将硅片传送至花篮中，气缸用于将传送皮带和吹气板伸进、退出花篮，吹气板用于将硅片吹起，电磁阀与PLC控制器相连，用于控制吹气时机及吹气的时间。

2) 硅片传送机构安装有节流阀和PLC控制器，节流阀用于控制吹气气量的大小，其两端连接着气管；PLC控制器用于控制各运动机构的运动流程。

3) 吹气板还设计有走气孔和出气孔，走气孔用于形成气体流通的通道，出气孔用于将硅片平稳吹起，脱离传送皮带。

4) 吹气板的走气孔两端安装有气管接头和堵头，接头用于连接节流阀一端的气管，接通气源；堵头用于堵住走气孔一端，防止气体泄漏。

5) 吹气板上还设计有气管槽，其设计尺寸和气管外径尺寸为过盈配合，用于紧固气管，防止气缸伸出、缩回时折断气管。

1.2 工作原理

图2所示为一齿两片的流程图：当对射传感器检测到硅片A时，会有一个微分下降沿通过I/O输入传给PLC控制器，PLC控制器通过I/O输出信号控制电磁阀通路，气体经电磁阀→节流阀→接头→走气孔，最后由吹气孔吹气，调节节流阀流量大小至可使硅片A悬浮，贴在花篮齿的上表面，这样硅片A就不会和传送皮带接触，当硅片B传送来的时候，两片不会相撞。当对射传感器检测到硅片B时，PLC控制器会先接收到一个微分上升沿，这时PLC控制器控制电磁阀断路，这时硅片B和硅片A之间有间隙，硅片B可以插入到和硅片A所在的同一个齿里，当硅片B离开对射传感器的检测后，PLC控制器会接收到一个微分下降沿，这时PLC控制器会控制伺服电机上升一个齿的高度4.76 mm，这样便完成了同一个齿里插两张硅片的过程。

图2 工作流程图

1.3 程序逻辑

图3 控制逻辑图

图3示出了PLC控制器如何分辨微分上升沿和下降沿来控制各执行元件，本文通过PLC程序中计数器C50的不同数值来进行控制，计数器C50通过对射传器的微分上升沿信号来计数。初始状态下C50为0，当对射传感器检测到硅片A会先产生一个微分上升沿，这时计数器计数，C50置为1，当硅片A离开对射传感器的检测会产生一个微分下降沿，此时C50=1，PLC控制器控制电磁阀通路；当对射传感器检测到硅片B，同样也是会先产生一个微分上升沿，此时的计数器计数，C50置为2，PLC控制器控制电磁阀断路；当硅片B离开对射传感器的检测会产生一个微分下降沿，此时C50=2，PLC控制器控制伺服电机上升4.76 mm；伺服电机定位完成会反馈信号给PLC控制器，当PLC控制器接收到伺服电机反馈的定位完成信号后，会将计数器C50清零，置位为0。

2 硅片搬送设计

目前，国内厂家在硅片搬送结构上大都采用SMC品牌的滑块型LEF系列电动执行器，其运动200 mm的定位时间需要0.7 s，设备单工位的理论产能只有4 000片/小时，远远达不到5 000片/小时的要求。本文采用交流步进电机通过皮带驱动，导轨从动的方式进行硅片搬送，其结构如图4所示。

图4 硅片搬送结构图

步进电机的力矩会随转速的提高而下降，因为当步进电机转动时，电机各项绕组的电感将形成一个反向电动势，脉冲频率越高，反向电动势越大。在反向电动势的作用下，电机的相电流随脉冲频率(或速度)的增大而减小，从而导致力矩下降。为了验证电机选用的是否能够满足要求，需对其进行校核验证。设计参数：定位时间t=0.4 s，m负载=6 kg，m带轮=0.1 kg，加减速时间比A=25%，运动距离L=200 mm，摩擦系数μ=0.01，带轮直径D=0.03 m，安全系数S=2。经公式(1)[3]计算得电机最快速度Vmax≤7 rps，TM=1.5 N·m。

(1)

本文选用的电机为MOONS’单输出轴交流步进电机，型号为AM34HD08702，其动态力矩曲线如图5所示，其转速在低于12 rps时，其输出扭矩在2.5～2.7 N·m区间，大于必须转矩1.5 N·m，因此，选用的电机转矩能够满足使用要求，其定位时间≤0.4 s，单工位理论产能≥5 200片/小时，满足了槽式单面制绒工艺技术对自动化产能的要求。

图5 步进电机动态力矩曲线

3 非接触吸盘设计

本文采用伯努利原理设计了一款非接触式吸盘，避免了传统吸盘吸嘴对硅片表面造成印记的污染，其结构如图6所示，吸盘由上顶板、内腔、下底板和硅胶垫组成，产生吸力的原理是气源由与上顶板连接的气管接头通入，随后进入吸盘主体的内腔，最后由下底板与主体间0.02 mm的缝隙中流出，在吸盘下表面形成一个流速快的气流层，根据伯努利原理“气流快处气压小”，这样硅片上下表面形成了负压，产生了吸力F，硅片受力会吸附于硅胶垫上，这种吸取硅片的方式避免了硅片和吸盘的直接接触，满足了槽式单面制绒技术对自动化设备的要求。