王志宏，朱江江

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

随着全球能源形势的趋紧，发展可再生能源已经是迫在眉睫。太阳能是一种有着巨大开发价值的能源。近年来，光伏行业发展迅速，提升自动化设备的效率是提升电池片生产产能的关键，对企业在竞争日趋激烈的今天意义重大[1]。常见的电池片生产线有多道工序，包括：制绒、扩散、刻蚀等，每道工序中配备的自动化上下料设备对提升产能作用巨大。制绒作为整个生产线的第一道工序，其上料效率会直接影响整条生产线的效率。本文主要分析了影响制绒上料机产能的原因，并提出了相应的改良方法。

1 设备结构简介

本文中的自动化制绒上料机主要由硅片装篮机构和提篮到工艺设备的提篮机构两大部分组成。硅片装篮机构有上料机构、上花篮机构、装片机构、搬片机构、双片分拣机构组成，提篮到工艺设备的机构由翻转机构和提升机构组成[2,3]。硅片装篮机构将成叠的原硅片通过吸盘吸取、传送带输送送入篮具，提篮到工艺设备的机构则将竖直的篮具旋转到水平位后通过伺服电机搬送到工艺台。优化前设备的理想产能在8000片/小时左右，而实际产能则会更低。

导致设备效率低的两个主要因素是：1) 设备在装片机构进篮部位造成较多卡片；2) 设备各机构本身的速度慢。因此，我们从这两个方面对设备进行优化。

图1 全自动硅片上料机的结构图

2 针对卡片的优化

2.1 伸缩机构开孔

该光伏厂工艺流程要求与其他公司有所不同，这要求上料设备给篮具的每个槽中插入两片硅片，这样在卡片这一评判指标上提高了技术难度。我们针对上述要求在以往的设备上进行了伸缩手部位的改造，在伸缩手上开了一排孔，通过电磁阀控制吹气。这样在第一片硅片插入槽延时T1时间后，吹气孔吹气将第一片硅片吹起使其贴近槽内上齿，接着第二片硅片即可以顺利插入槽中。目前大多数公司使用的是100槽、每槽齿间距为4.76 mm的篮具，而该光伏厂使用了120槽、每槽齿间距为4.125 mm的篮具，同时该公司所用硅片为166 mm×166 mm的较大硅片，因此这又给设备的平稳运行带来的巨大难度。通过实验发现，由于上述原因，伸缩机构不能使硅片平稳吹起，使得设备在实际运行中仍然会造成大量卡片，这对设备的效率影响极大。

图2 伸缩机构

接着，我们对伸缩手部位进行了二次开孔，使两排孔分别通过两个电磁阀来控制吹气。在程序中我们这样控制电磁阀的两次吹气：当装篮机构前的对射传感器检测到第一片硅片的下降沿并延时T1后第一排吹气孔开始吹气，这样来保证篮具中槽内上下齿之间有足够间隔使第二片硅片的前半部分进去。但之后如果使两排孔都同时吹气，那么第二片硅片必然会被吹起并与第一片硅片摩擦而造成卡片，因此控制两排吹气的通断很重要。通过分析，我们在检测到第二片硅片上升沿时开始计时，时间为T2后，使第一排吹气停止。对于第二排吹气的控制，我们希望使第一张硅片前半部分能够吹起，这样能有足够空间使第二片硅片剩余半片能全部插入槽内。我们在检测到第二片硅片上升沿时开始计时，时间为T3时第二排吹气开启，计时到T4时吹气停止。这样第一排吹气孔有效吹片时间为T2，第二排吹气孔有效吹片时间为T4-T3。一张硅片通过装片机构处对射传感器的时间大约为0.4 s，那么半张片子通过的时间约为0.2 s，我们以T2、T3初始值为0.2 s，T1初始值为0.1 s，T4初始值为0.3 s开始调试参数，经过实验可以得到一个合适的参数使设备不卡片平稳运行。

2.2 装片提升间隔的优化

设备装片升降机构所使用的伺服电机精度可以控制在0.01 mm，而篮具每槽的齿间距为4.125 mm。如果每次进片后伺服电机抬升值为4.12 mm或4.13 mm，那么120槽的前数十槽插片可以正常进行，而在插片到后二十槽时误差开始大量累积，卡片时有发生。我们可以使伺服电机在奇数槽和偶数槽分别抬升4.12mm和4.13mm，这样可以避免误差累积带来卡片。

3 设备机构运行效率的提高

3.1 搬片机构的优化

硅片装篮机构和提篮机构两大部分中，由于提篮具到工艺台流程较简、效率较硅片装篮机构高，因此硅片装篮机构是优化重点。

硅片装篮机构中，装片机构只需要适当加快伸缩机构的步进电机速度使其比吸片部分快即可。

图3 硅片装篮机构

搬片机构的流程有以下几个步骤：

1) 搬片交流电机去左料盒位；

2) 吸片气缸伸出；

3) 气缸上左侧吸盘开始吸左料盒的硅片，同时右侧吸盘关闭吸气并把右侧片放到传送带；

4) 吸片气缸缩回；

5) 搬片交流电机去右料盒位；

6) 吸片气缸伸出；

7) 气缸上右侧吸盘开始吸右料盒的硅片，同时左侧吸盘关闭吸气并把左侧片放到传送带；

8) 吸片气缸缩回。

图4 搬片机构

这样不断重复以上步骤。搬片一个流程可以将六片硅片放到传送带，优化之前每两个步骤之间会有0.1 s左右的延时，我们把每个延时减小到0.01 s，这样每个流程可以节约接近1s时间。同时，搬片交流电机在左右料盒位间移动的速度由优化之前的300 mm/s提高到了400 mm/s。

图5 搬片电机速度位置调试界面

在吸盘吸到硅片之后，吸盘会等待吸盘气缸下侧传送带上的硅片全部传走才会伸出到下位开始放片，这也会影响效率。通过优化程序，我们可以使吸片气缸先伸出到下位，同时保持吸气阀不关闭，这样处于等待状态，等下侧硅片传走瞬间，吸气阀立刻关闭并将硅片放到传送带，这样每次放片时可以节约0.5 s左右。

吸片气缸伸缩的速度可以通过调节节流阀来控制，也可以影响搬片速度。

通过优化程序、调节参数，搬片机构的效率有了明显的提升。

3.2 其他机构的优化

搬片机构的效率提升后，我们可以调节吸片部分步进电机传送带的速度，使其和搬片机构速度相匹配，同时要注意传送带速度不能过快，否则皮带上硅片会打滑或者摩擦出皮带印影响产品质量。

搬片机构中所优化的延时可以影响至每片硅片，而硅片装入篮具之后的机构延时优化只能影响每篮的时间，所以除搬片和装片机构的其它机构的优化对产能提升作用较小。提升装片升降机构的伺服电机速度、调节升降机构传送气缸都可以使每次装卸篮具节约一些时间。同样，进空篮具、上料盒等都可以通过调整传感器位置、调节相应气缸来小幅提升效率。

4 结论

通过实验发现，优化后的设备理想产能可以达到9800片/小时，相比优化之前设备效率可提升约23%，而在硅片流经清洗机、分片机、倒片机，刨除碎片、各设备中的损失后，从倒片机出片依然可以达到9000片/小时，满足了客户的实际产能需求。