袪PSG 上料自动化产能提升方法研究

2024-01-04宋沛毅剌颖乾王志宏

机械管理开发 2023年11期

宋沛毅，剌颖乾，王志宏

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）

0 引言

光伏产业作为我国战略性新兴产业之一，其发展对于调整能源结构、推进能源生产、促进生态文明建设具有重要意义。尤其在近几年，在国家政策支持及技术革新驱动的利好环境下，光伏产业迅速发展。同时光伏行业的竞争也越来越激烈，各个生产厂商对于产能及效率的要求也越来越高，工艺路线也更加多元化，不仅有PERC 工艺，也有TOPCON、HJT 等工艺相继推出。本文所研究的袪PSG 上料机便是应用于TOPCON 工艺产线上祛PSG 的上料自动化设备[1-2]。

本文通过分析袪PSG 上料自动化的结构和工作原理，对产能的影响因素进行研究，同时对相关机构进行优化，从而提高了设备的产能。

1 袪PSG 上料机的结构和工作流程

1.1 袪PSG 上料机的主要结构

袪PSG 上料机主要包括花篮循环机构、花篮升降机构、花篮旋转机构、伸缩手取片机构、硅片缓存机构、横向传输机构、顶起横传机构和纵向传送机构，各个机构排布如图1 所示。

图1 L 型袪PSG 上料自动化机构排布

1.2 袪PSG 上料机的工作流程

1）AGV 小车将装满硅片的花篮传送到花篮循环机构上层，机构上的皮带通过电机驱动，将装满硅片的花篮传送至花篮旋转机构。

2）花篮旋转机构根据硅片传输方向，将装满硅片的花篮进行旋转，使得花篮开口朝向硅片传输的方向。

3）旋转方向后的满硅片花篮传出至花篮升降机构，升降机构运行，将花篮抬升至设定好的位置。

4）伸缩手取片机构的伸缩板伸出至第一张硅片下方，同时伸缩板上的皮带通过步进电机驱动，将硅片传出，同时花篮升降机构下降一个硅片间隔的距离，伸缩手继续通过皮带将第二张硅片传出，如此重复循环，直至将花篮中的所有硅片取出。

5）横向机构将伸缩手取片机构传出的硅片传送至顶起横传机构上，并通过光电传感器对硅片距离进行重新排布。

6）当顶起横传机构上的硅片排满时，顶起横传机构气缸下降，将排布好的硅片放置于纵向传送机构上。

7）纵向机构皮带转动，将一排硅片传送至主机，完成硅片传输。

8）上述机构循环运行，实现硅片源源不断的传送至工艺主机内部。

2 袪PSG 上料机的产能分析

在袪PSG 上料自动化现场使用过程中，顶起横传机构上的硅片处于不间断排片状态，而其他机构存在间歇式等待动作，所以影响硅片传输产能的制约因素便在顶起横传机构，且对于两道横向传输结构来说，离主机台更远处的顶起横传机构因纵向传输时间更长，所以只需分析此处的顶起横传机构产能。设每列硅片从排片开始到传入主机的时间为TD，则可以得出：

式中：TP为硅片在顶起横传机构上排片的时间；TQX为顶起横传机构气缸下降的时间；TC为硅片从顶起横传机构传输到主机台的时间；TQS为顶起横传机构气缸抬升复位的时间。

经过现场分析，顶起横传机构气缸下降和抬升的时间分别为TQX=1 s，TQS=0.8 s，而纵向传输时间TC为纵向传输距离除以主动轮的线速度，而主动轮的线速度为其转速n 乘以主动轮外边沿周长，即：

式中：n 为转速，保证硅片纵向稳定传输的主动轮转速为0～6 rad/s；D 为主动轮外径，取30 mm；LC为纵向传输距离，B 侧纵向传输距离为800 mm。

当主动轮以最大转速运行时，TC≈1.41 s。

对于TP来说，硅片在顶起横传机构上排布的时间为：每张硅片走步进时的时间tb加上步进停顿的时间tt，乘以硅片排布的数量X，再加上硅片在顶起横传机构上整体位置调整所用的时间tw，即：

这里袪PSG 上料机为十道机型，故X=10；tw时间很短，基本可以忽略不计；硅片走步进时间tb等于每步进的距离LB除以传输速度v；主动轮外径D=30 mm；步进距离LB为250 mm；tt由PLC 程序控制为0.15 s，带入式（3）中可知TP与横向电机转速n 的关系为：

而传输速度的极限取决于硅片是否在皮带上打滑，根据试验，采用A 供应商的皮带，材质为聚氨酯，其电机转速n 最大可以为6 rad/s，带入式（4）中得：TP=5.92 s。

再将以上数据带入式（1）可得：TD=9.13 s，即10张硅片排满顶起横传机构并传入主机这一个周期时间为9.13 s，单道对应的产能便为3 943 片/h，双道产能为7 886 片/h，即为此设备产能。

3 产能提高方法探究

3.1 提高电机转速

由式（4）可知，提升横向电机转速可以有效提高产能，但皮带转速过快又会导致硅片在皮带上打滑，故可以通过替换摩擦系数更大的皮带来提高横向电机最大的转速，通过试验比对，采用氟橡胶可以有效提高与硅片的静摩擦力，可使横向电机最大速度达到8 rad/s，将数据带入式（1）可得：TD=8.02 s，对应产能为8 977 片/h，提高产能12.15%。

3.2 采用U 型双侧上料结构

对于设备摆放空间充裕的情况下，可以将L 型结构设计为U 型结构，两边上料的方式，如图2 所示。此时可以将设备看作由2 台五道的单侧上料机组成，即道数X=5，同样带入式（3）及式（1）中可得，TD=6.17 s，对应理论产能5834片/h，对应设备理论产能11668 片/h。由于设备在实际运行过程，两侧同时排片会出现短时间的不同步情况，实际产能约为11 000 片/h，略小于理论产能，故实际提高产能约为39.4%。

图2 U 型结构袪PSG 上料自动化布局

3.3 缩短纵向机构传送时间

通过式（2）可知，缩短纵向传送的距离，可以减小纵向传输时间TC，同样可以减小每列硅片传入主机的时间TD。目前下侧顶起横传机构的传输距离约为800mm，将纵向传送机构分为两段传送，如图3 所示，可以将硅片纵向传输距离减小约300 mm，即纵向传输距离LC=500 mm，此时TC=0.88 s，在其他条件相同情况下，对应设备产能为8 372 片/h，提升产能6.16%。

图3 两段纵向传输式结构

3.4 增加横向传输机构

在两组横向传输的基础上，再增加一组横向传输组件，同样可以提升硅片上料的产能，如图4 所示。在增加一组横向传输组件的同时，相应的也会增加一组伸缩手取片机构、硅片缓存机构、横向传输机构、顶起横传机构和纵向传送机构。

图4 三道横向传输式结构

当增加了一组横向传输组件后，纵向机构硅片传输的距离也会相应的加长，此时LC=1 050 mm，由式（1）—式（3）可知，TD=9.58 s，对应单道产能3 758 片/h，三道产能11 274 片/h，提高产能42.9%。

4 产能提升效果分析

以上共列举出4 种提升产能的方法，包括更换皮带材质以提高横向传输速度、采用U 型双边上料方式、采用两段纵向传输方式以减小纵向传输距离、增加一组横向传输组件的方式，均可以不同程度的提高设备的产能，如表1 所示。

表1 不同方式对设备产能提升情况

可以看出，优化设备结构，采用U 型双边上料、增加横传组件的方式提升效果明显，但相应的也会增加设备成本，同时也会增加设备的整体尺寸，在采用时，需综合考虑设备摆放空间情况。更换皮带材质以提高横向传输速度，设计为两段纵向传输方式以减小纵向传输距离的方式，可以提高一定的产能，其优点在于改造成本较低，简单便捷。

如果在成本允许、且设备摆放空间充裕的情况下，以上的方法可以一并采用，相对应的效率可以提升至19 200 片/h，大大提升了袪PSG 上料自动化设备产能。