料機碎片分析與優化設計研究

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摘要：全自動硅片下料機在生產過程中，容易受到刻蝕工藝機臺碎片的影響，出現堵片、流片等問題，從而降低良品率。通過分析工藝機臺產生的幾種碎片形態，提出了加裝碎片檢測裝置和改造下料機翻轉結構的解決方案；該方案能及時檢測碎片，并通過優化后的結構處理碎片，提高了設備的穩定性。

關鍵詞：全自動硅片下料機；碎片分析與處理；結構優化

隨著光伏行業的快速發展，競爭日趨激烈，降本增效已經成為所有光伏企業必須面對的問題。目前，降低碎片率，減少返工片，提高良品率是降本增效最行之有效的方法。全自動硅片下料機是太陽能電池片刻蝕工序的重要設備之一[1]。多晶硅片由于其本身的物理特性，在經過制絨、清洗、擴散、刻蝕等工序的自動化設備后，不可避免地會產生隱裂片。這些隱裂片在通過刻蝕工藝機臺進入下料翻轉機構時容易變成碎片，若不及時處理，在傳輸過程中會造成堵片和流片，影響生產效率，還會導致更多的返工片和不良片的產生。本文分析了全自動硅片下料機正常生產過程中產生碎片的主要原因，并提出了相應的設計方案以及優化解決方法。

1下料機結構及碎片原因分析

全自動硅片下料機主要是由碎片檢測裝置、翻轉組件、縱向傳輸段、橫向傳輸段、緩存組件、裝片組件、自動換籃組件等組成[2-3]。其結構示意圖如圖1所示，其中下料翻轉組件的主要作用是將硅片翻轉180°，避免硅片刻蝕面接觸皮帶產生臟污和印跡，提高硅片的轉換效率。太陽能電池片在經過多道工序后，會產生部分缺角片。在全自動硅片上料機入口處，操作人員若未及時發現碎片、缺角片將隨刻蝕工藝機臺直接流入下料機，圖2（a）所示是在全自動下料機入口處發現的缺角片。這類缺角片在進入裝片組件和緩存組件時，容易堵片，造成二次碎片。隱裂片在經過中間工藝機臺的滾輪時，可能會變為碎片，這部分碎片在傳輸過程中會粘連在一起，如圖2（b）所示。這部分碎片也會引起下料傳輸段的堵片，另外由于傳輸皮帶上殘留液體的存在，還會對后續接觸皮帶的硅片造成大批量的污染，所以提前對帶液片進行檢測，讓工作人員及時處理，會避免很多損失。由于受刻蝕槽內的滾輪水平等因素影響，槽體內有時會發生大量堵片，如圖2（c）所示。這種情況如不及時處理會造成大量硅片報廢，造成重大損失，這就需要下料機有一定的報警功能。如果上料機投料一段時間后，下料機傳感器沒有感應到硅片，則需提醒操作人員留意刻蝕槽內是否堵片。除了上述幾種常見的工藝機臺碎片形式，下料翻轉吸盤在取片過程中，受吸盤高度和氣壓的影響，也會產生碎片。這部分碎片也需要進行相應的處理，以減少堵片的風險。

2碎片的優化處理

2.1碎片預處理。針對上述幾種常見的刻蝕槽碎片，在刻蝕槽滾輪速度一定的情況，通過比較兩個傳感器感應的時間來判斷硅片是否為碎片。在不顯著增加成本的情況下，在設備前預裝10個傳感器，每道配置2個傳感器，每個傳感器需安裝在硅片的邊緣，如圖3所示。碎片檢測主要有兩種方法，一種是與正常片通過傳感器的時間比較，主要針對大部分缺角片，另一種是同道兩個傳感器相互比較，主要針對縱向半張硅片的情況。參數設置界面如圖4所示，速度檢碎設定值是基于正常片通過傳感器的時間來設定。速度檢碎的檢測精度受掃描周期和滾輪速度的影響，本文所論述的PLC掃描周期在5ms左右，若滾輪速度保持在2.5m/min，檢碎誤差在±2mm。現場可根據實際運行情況，適當的放大實際檢測值與設定值之間的差值。界面中會顯示硅片通過左右兩側相應傳感器的時間，方便操作人員根據硅片的片源大小更改參數。另外，針對縱向半張的硅片，程序中設置差值檢碎設定值。若其中一個傳感器感應到硅片，在設定值范圍內，另一個傳感器還未檢測到硅片，則該張硅片設定為碎片。當使用上述兩種方法檢測出碎片時，該道吸盤不打開，碎片不會翻轉到縱向傳輸段，而是隨滾輪運動自行滑落到收料盒，這樣不會對傳輸段造成影響。針對上節提到的刻蝕槽堵片情況，參數設置界面增加連片設定值功能，當硅片通過傳感器的時間大于設定值，則該硅片為帶液片或刻蝕槽產生大量碎片，翻轉機構會自動轉向放片位，使得硅片掉落到收片盒，并報警提示相關生產人員，解決刻蝕主機臺連片問題。另外，本方案還統計碎片數和連片數，設備人員查看相關數據，可以及時發現主機臺異常。2.2翻轉機構優化設計。由于收料盒內硅片摩擦因素的影響，加上刻蝕槽傳動速度較慢，經常會出現碎片不能順利滑落的現象。此外，翻轉機構回位時可能會碰到正在傾斜滑落的硅片，容易產生更多碎片，堵塞刻蝕槽出口。針對這些情況，對吸盤連接件進行改造。改造后的設計可避免吸盤連接件接觸運動中的硅片，能夠在不影響正常生產的情況下讓硅片自然滑落，也不會造成二次碎片。圖5所示為改造前及改造后的翻轉機構，改造前無收料盒，遇到碎片時會將翻轉結構抬升，讓硅片全部滑到前置收料盒。這種結構會造成大量返工片，并且每次出現帶液片都需要擦拭皮帶，嚴重耽誤產能。改造后的設備則完全解決了上述問題。2.3傳輸段優化。設計圖6所示為吸盤到達放片位時的狀態。若碎片發生在翻轉過程中，吸盤到達放片位時，吸盤兩端的傳感器沒有感應到硅片，則判定為碎片，該道縱向傳輸皮帶的速度立即轉為快速，將硅片送到前置收料盒，不讓碎片進入橫向傳輸段，避免在進入緩存組件前造成堵片。

3優化效果

下料翻轉機經過優化設計后，碎片通過翻轉機構的狀態如圖7所示。圖中吸盤翻轉到取片位時，連接件不會碰到運動中的硅片，而掉落中的碎片也不會影響吸盤吸取下一排的硅片。此外收料盒的角度也可以調節，保證硅片能夠順利掉落。

4結論

通過對全自動刻蝕下料機在生產過程中產生碎片的問題進行分析研究，提出了加裝碎片檢測裝置和改造下料機翻轉結構的解決方案。加裝碎片檢測裝置，不僅能夠有效地檢測碎片，防止碎片進入縱向傳輸段，對槽內連片和大范圍堵片也能起到很好的預警作用。而且改造后的下料翻轉結構不會碰到正在掉落的碎片，也不會產生二次碎片，提高了全自動刻蝕下料機的穩定性和可靠性。優化后的下料機裝片效率可以達到5000片/h，碎片率控制在0.03%左右，達到了廠家的技術要求，有望在一些老舊機臺的改造中得到推廣。

參考文獻：

[1]岳軍.光伏電池生產線自動化設備的應用及發展趨勢[J].山西電子技術，2016，(1)：94-96.

[2]苗俊芳，李安華，廖鑫.硅片自動上下料設備的研制[J].物流工程與管理，2012，34(6)：123-124.

[3]任耀華.太陽能電池清洗自動上下料設備的研究[J].電子工業專用設備，2016，45(4)：42-45.

作者:段建國 穆星澤 單位:中國電子科技集團公司第二研究所