段景波 解培玉 崔陳晨
(青島高測(cè)科技股份有限公司 山東青島266114)
目前,市場(chǎng)上用的截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)、磨拋一體機(jī)都是單臺(tái)加工棒料,然后人工搬運(yùn)到另外一臺(tái)設(shè)備加工,需要經(jīng)常調(diào)整上棒、下棒位置,操作非常不便,且勞動(dòng)強(qiáng)度高、需用操作工數(shù)量多,用這類設(shè)備的企業(yè),經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越差,為了扭轉(zhuǎn)局面,實(shí)現(xiàn)晶硅加工的自動(dòng)化,并提高各種加工設(shè)備的利用率是要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
太陽(yáng)能屬于可再生能源的一種,具有儲(chǔ)量大、永久性、清潔無(wú)污染、可再生、就地可取等特點(diǎn),因此成為目前人類所知可利用的最佳能源選擇。自二十世紀(jì)五十年代美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室三位科學(xué)家研制成功單晶硅電池以來(lái), 光伏電池技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與發(fā)展,目前已經(jīng)形成一套完整而成熟的技術(shù)。自2017年以來(lái),行業(yè)繁榮興盛,新投資規(guī)劃層出不窮,光伏市場(chǎng)擴(kuò)產(chǎn)需求急劇增大。全球光伏新增裝機(jī)容量增速達(dá)28%,中國(guó)裝機(jī)容量增速達(dá)54%,行業(yè)規(guī)模擴(kuò)張拉動(dòng)電池設(shè)備需求。
使用單線截?cái)鄼C(jī)對(duì)毛棒進(jìn)行截?cái)嗉庸ぃ看谓財(cái)嘁桓袅弦粋€(gè)刀口,開方單元采用雙線且線間距無(wú)級(jí)可調(diào),實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)閉環(huán)控制,自動(dòng)修正開方尺寸;磨倒單元可滿足粗磨、精磨、單面、單弧單獨(dú)加工控制功能。各個(gè)環(huán)節(jié)的工序?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化流轉(zhuǎn),無(wú)需人工參與正常棒料的流轉(zhuǎn)加工,對(duì)加工產(chǎn)生的頭尾料、邊皮料等,可以人工拾取,也可以根據(jù)需要用自動(dòng)傳送帶集中處理。
綜合考慮各環(huán)節(jié)的加工效率匹配,截?cái)喹h(huán)節(jié)采用單刀單根棒料切割,每次切割一根棒子的一個(gè)端面,每刀切割時(shí)間在10分鐘以內(nèi),與開方及磨倒的產(chǎn)能匹配做到 1:2:3,即一臺(tái)截?cái)鄬?duì)應(yīng)兩臺(tái)開方和三臺(tái)磨倒,該最小單元的產(chǎn)能是 0.25GW,以根據(jù)實(shí)際情況定期升級(jí),增加機(jī)械手、截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)和磨拋一體機(jī)的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能增加,靈活、方便,如圖1所示。
圖1 整體布局圖
1)截?cái)鄦卧?/p>
采用單線但刀口切割和簡(jiǎn)易版控制原理,即只有收放線及兩個(gè)切割導(dǎo)輪,結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性高。放線電機(jī)和收線電機(jī)分別采用速度和扭矩控制,中間的阻力慣量在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)充分考慮降低,這樣運(yùn)行精度會(huì)更高,如圖2所示。
圖2 截?cái)鄼C(jī)布局圖
2)開方單元
采用雙線,兩根金剛線豎直分布,兩線間距通過(guò)伺服在線調(diào)整,增加傳感器,做半閉環(huán)控制,開方余量降低,為磨倒產(chǎn)能提高做鋪墊。目前常規(guī)開方余量1 mm,單邊0.5 mm,如果開方控制精度提高,把余量做到0.6 mm,單邊0.3 mm,這樣磨倒環(huán)節(jié)就能提高40%的產(chǎn)能,通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解,這個(gè)開方余量控制是可行的,如圖3所示。
圖3 開方機(jī)布局圖
3)磨削單元
開方后硅棒平面磨削采用杯形砂輪垂直于磨削表面進(jìn)給的方式進(jìn)行磨削,由左右兩片砂輪同時(shí)進(jìn)給磨削,磨削完后工件旋轉(zhuǎn)90°,然后進(jìn)行另外兩個(gè)平面的磨削,如圖4所示。
圖4 磨倒一體機(jī)布局圖
1)截?cái)喙ば?/p>
毛棒直徑:Φ150~Φ240 mm
毛棒長(zhǎng)度:1500~6500 mm
切割段長(zhǎng):100~750 mm
切割質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖5所示。
圖5 截?cái)嗪蠊璋糍|(zhì)量簡(jiǎn)圖
2)開方工序
加工長(zhǎng)度:100~750 mm
加工圓棒規(guī)格:6~8.5吋
加工直徑:Φ150~Φ240 mm
切割質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖6所示。
圖6 開方后硅棒質(zhì)量簡(jiǎn)圖
3)磨削工序
加工邊距:□156.00~□168.00 mm(加工前),□156.00~□165.5 mm(加工后,連續(xù)可調(diào))
加工直徑:Φ200~Φ237.60 mm(加工前),Φ200~Φ234.05 mm(加工后,連續(xù)可調(diào));
毛棒直徑:Φ150~Φ240 mm
加工倒角:C0.2~C10 mm,在以上范圍可調(diào);(圓弧和平角均可滿足)
加工質(zhì)量簡(jiǎn)圖如圖7所示。
圖7 磨削后硅棒質(zhì)量簡(jiǎn)圖
(1)該加工單元的自動(dòng)化程度高,產(chǎn)能穩(wěn)定、風(fēng)險(xiǎn)分散,可靠性更好。
(2)加工精度高,分體式布局各設(shè)備均可采用行業(yè)內(nèi)頂級(jí)設(shè)備進(jìn)行整合,提升整體產(chǎn)品品質(zhì),設(shè)備分體減少設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)的影響程度,便于設(shè)備維護(hù)及升級(jí)。
(3)節(jié)省人工,全自動(dòng)化運(yùn)行,物料搬運(yùn)等環(huán)節(jié)全由機(jī)械手代替。
(4)有升級(jí)空間,按工廠實(shí)際產(chǎn)能需求,增加機(jī)械手、截?cái)鄼C(jī)、開方機(jī)和磨拋一體機(jī)的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能增加,靈活、方便。
(5)整個(gè)加工單元采用的獨(dú)立設(shè)備,用機(jī)械手靈活的在各種設(shè)備之間轉(zhuǎn)運(yùn)晶硅,可以機(jī)動(dòng)靈活的切換模式,比如隨時(shí)可以單獨(dú)拉出一臺(tái)磨拋一體機(jī)或者開方機(jī)做實(shí)驗(yàn),而不影響其余設(shè)備的正常運(yùn)行。
1)截?cái)嗉夹g(shù)
(1)采用單線切割形式,每次切割一根棒料的一個(gè)刀口;
(2)采用簡(jiǎn)易版控制原理,即只有收放線及兩個(gè)切割導(dǎo)輪,結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性高。放線電機(jī)和收線電機(jī)分別采用速度和扭矩控制,中間的阻力慣量在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)充分考慮降低,這樣運(yùn)行精度會(huì)更高;
(3)滿足常規(guī)截?cái)喙δ苤?,還能取樣片切割;
(4)與開方單元的對(duì)接,采用機(jī)器人把截?cái)嗪蟮膱A棒轉(zhuǎn)送到開方機(jī)上料工位上。
2)開方技術(shù)
(1)采用雙線,兩根金剛線豎直分布,兩線間距通過(guò)伺服在線調(diào)整;
(2)簡(jiǎn)化中間過(guò)渡輪系,做到過(guò)渡輪最少,降低控制干擾。導(dǎo)輪采用可更換式高分子材料,使用壽命是常規(guī)輪子的6倍左右;
(3)邊皮夾具,采用翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)式基座結(jié)構(gòu),棒料先由定中心夾頭夾緊,快速移動(dòng)到金剛線待切位置,切割完畢后,邊皮夾具松開、邊皮掉落到皮帶機(jī)上,進(jìn)行邊皮回收;
(4)線網(wǎng)間距無(wú)極可調(diào),實(shí)現(xiàn)開方后的切棱功能,大大縮短磨倒設(shè)備上磨棱,減少磨削損耗;
(5)與磨倒對(duì)接,開方完成后,機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)棒料到磨倒一體機(jī)的上料臺(tái)上,磨倒設(shè)備檢測(cè)到來(lái)料后,自動(dòng)開始磨倒。
3)磨削技術(shù)
(1)檢測(cè)硅棒高度以計(jì)算硅棒高度中心,保證硅棒夾持在回轉(zhuǎn)中心上,夾持后的硅棒通過(guò)測(cè)量各面及直徑后計(jì)算出加工余量;(2)工件在磨削完一組平面后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分度,分度精度誤差將會(huì)直接影響工件各面的垂直度。倒角時(shí)回轉(zhuǎn)精度也將影響加工節(jié)拍及質(zhì)量;(3)硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力,對(duì)砂輪主軸剛度要求較高,砂輪主軸的徑向跳動(dòng)將會(huì)影響砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡,從而影響磨削表面質(zhì)量,同樣砂輪主軸的軸向竄動(dòng)將會(huì)引起砂輪的進(jìn)給不穩(wěn),影響主軸使用壽命及磨削表面質(zhì)量;(4)需對(duì)砂輪進(jìn)行修整,以及修整后的補(bǔ)償,以保證磨削硅棒的尺寸;(5)砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生大量的熱量,冷卻不充分將會(huì)導(dǎo)致砂輪使用壽命降低,為了有良好的清洗砂輪作用,應(yīng)使液流出口速度高于砂輪圓周速度;(6)磨削加工一般分為粗磨、精磨、光磨三個(gè)階段,合理的分配加工余量,不僅能保證工件的加工質(zhì)量,同時(shí)也提高了加工節(jié)拍。
該單元內(nèi)部是一個(gè)高度自動(dòng)化的系統(tǒng),正常生產(chǎn)無(wú)需人工干預(yù),在來(lái)料接口和成品料輸送接口上,也可以便捷地與客戶整廠自動(dòng)化進(jìn)行對(duì)接。這種分散式自動(dòng)化單元,即能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化要求,又能避免因局部環(huán)節(jié)故障而造成大面積停機(jī),避免大面積產(chǎn)能波動(dòng)。
本單元包含一臺(tái)單刀截?cái)鄼C(jī)、一臺(tái)雙線開方機(jī)、一臺(tái)磨倒一體機(jī),以及一套配套的機(jī)器人裝置。這些基礎(chǔ)都做好后,便可以根據(jù)用戶產(chǎn)能大小進(jìn)行組合,簡(jiǎn)單、方便、靈活,今后一定會(huì)在客戶實(shí)際運(yùn)作中發(fā)揮智能化優(yōu)勢(shì),取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。