電池片高速劃片旋轉(zhuǎn)傳輸臺的研究

張奚語

(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動流水線技術(shù)的應(yīng)用日益普遍并不斷得到發(fā)展和提高，傳統(tǒng)的線性展開式分步作業(yè)自動流水線占地空間大、節(jié)奏慢，逐步被高密集度、高可靠性的自動回轉(zhuǎn)臺流水線取代。本文所述設(shè)計的電池片高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺應(yīng)用于光伏電池片流水線生產(chǎn)領(lǐng)域，其設(shè)計目的是為了提高生產(chǎn)自動流水線空間的緊密度，實現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)速度的雙重突破。

1 電池片劃片線性分步作業(yè)流水線常見問題

早期電池片劃片傳輸技術(shù)采用傳送鏈與機械手作業(yè)相結(jié)合的線性展開式分步流水作業(yè)模式（如圖1所示），經(jīng)長期運行驗證，暴露出很多問題，首先是傳輸節(jié)奏較慢，提升空間較小，每小時最多可處理約2 000片電池片；其次是電池片易被甩出，碎片率達(dá)2%以上；第三是傳送鏈擺動，劃片加工精度不穩(wěn)定，尺寸精度超過±0.5 mm。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大、集中度的提高和質(zhì)量要求的提升，回轉(zhuǎn)臺式流水作業(yè)技術(shù)進(jìn)入到了光伏生產(chǎn)領(lǐng)域并迅速得到推廣應(yīng)用。

圖1 傳統(tǒng)電池硅片的傳輸方式

2 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺的設(shè)計指標(biāo)及方案

2.1 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺的設(shè)計指標(biāo)

高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺是電池片自動劃片環(huán)節(jié)的核心部件，傳輸臺必須配合機械手完成上料定位、檢測、劃片和掰片4項動作，在旋轉(zhuǎn)傳輸臺設(shè)計性能上必須滿足以下3項指標(biāo)：傳輸產(chǎn)能為3 000片/h以上（完成每片傳輸動作時間少于1.2 s），碎片率小于0.5%，劃片加工精度達(dá)±0.2 mm。

2.2 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺方案設(shè)計

為保障旋轉(zhuǎn)傳輸臺節(jié)奏快，可靠性高，其總體方案設(shè)計如下：旋轉(zhuǎn)傳輸臺采用直驅(qū)式伺服電機提供動力，總體采用軸中空T形結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)傳輸臺由4個電池片承載爪、1個工作臺臺芯、1臺伺服驅(qū)動電機、4個真空發(fā)生器等部件組成。工作臺臺芯直接固定于伺服電機轉(zhuǎn)子面板上，伺服電機按控制系統(tǒng)給定的指令直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)傳輸臺高速運行。電池片承載片固定于工作臺臺芯四方，承載爪承載硅片并配合處理相關(guān)作業(yè)。傳輸臺整體設(shè)計成對稱式，轉(zhuǎn)動軸采用中空結(jié)構(gòu)，減少轉(zhuǎn)動慣量，提升固有頻率，保障高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動軸的中空空間用于穿插壓縮空氣管路。電池硅片承載爪表面設(shè)計真空吸盤，提高電池片高速旋轉(zhuǎn)中的定位精度。為避免4個工序作業(yè)真空吸附相互干擾，每個承載爪單獨采用一套真空發(fā)生器。高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)傳輸臺

3 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺的部件設(shè)計與選型

3.1 工作臺臺芯和電池片承載爪的設(shè)計

為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)傳輸臺運行平穩(wěn)、節(jié)能、空間集約及轉(zhuǎn)動慣量匹配，傳輸臺除伺服電機以外的部件整體設(shè)計成了圓盤結(jié)構(gòu)，工作臺臺芯在4個方向均勻配置4個電池片承載爪，臺芯和承載爪均進(jìn)行了對稱化設(shè)計，材料的選型均采用強度和剛度較高的Q690鋼材，材料厚度為20 mm。臺芯尺寸（300 mm）略大于伺服電機直徑（260 mm），通過6個M8螺釘均勻固定于電機轉(zhuǎn)子面板上。工作臺臺芯四方采用5個M6螺釘固定承載爪，工作臺臺芯如圖3所示。

圖3 工作臺臺芯

電池片承載爪均勻安裝于工作臺臺芯四方，根據(jù)承載爪與工作臺臺芯搭接長度以及承載爪需適配182 mm、210 mm電池片高速旋轉(zhuǎn)運行，其寬度和長度分別設(shè)計為130 mm和235 mm（電池片承載爪設(shè)計如圖4所示），承載爪上布置有6個直徑20 mm硅橡膠負(fù)壓吸盤，吸盤通過負(fù)壓吸附電池片，保障電池片在高速旋轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生位移，實現(xiàn)電池片劃片時的位置同一性，確保實現(xiàn)±0.2 mm尺寸精度。

圖4 電池硅片承載爪

3.2 真空發(fā)生器的選型

真空發(fā)生器工作原理如圖5所示。利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動，在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度[1]。這種通過壓縮空氣（壓力為400～600 kPa）產(chǎn)生真空的方式能發(fā)生的最大真空度為-100.8 kPa。真空發(fā)生器的流量計算：

圖5 真空發(fā)生器原理示意圖

其中，S為真空流量，V為吸盤入口處到真空發(fā)生器的總體積，T為到達(dá)最大真空度的時間，P1為初始大氣壓強，P2為最大真空度。由于真空吸盤吸附的是電池片，每片硅片質(zhì)量約15 g，共6個吸盤垂直向上吸附定位；真空壓力為2 kPa能夠滿足定位應(yīng)用，從吸盤到真空發(fā)生器的體積V=0.023 6 L，根據(jù)運行節(jié)奏為1.2 s，硅片放置于承載爪上0.3 s（0.005 min）需達(dá)到最大真空度，初始大氣壓為100 kPa，根據(jù)式（1）計算出真空流量S為18.47 L/min；余量系數(shù)取值1.15，真空流量取值21.2 L/min，真空發(fā)生器選用FESTO的OVEL-10-H型號（外形如圖6所示），其最大真空流量為21 L/min，工作壓力為200～600 kPa，符合設(shè)計要求。

圖6 真空發(fā)生器選型

3.3 驅(qū)動電機的選型

考慮到系統(tǒng)操控性，驅(qū)動電機主要從步進(jìn)電機和伺服電機中選擇，由于伺服電機在角度控制精度、低頻特性、矩頻特性、過載能力等性能方面整體上具有優(yōu)勢，本方案驅(qū)動電機選擇伺服電機。伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)速及連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩（功率）匹配計算如下。

3.3.1 伺服電機轉(zhuǎn)動慣量的計算

為使伺服電機具有快速響應(yīng)能力，必須使伺服電機轉(zhuǎn)動慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行匹配，通常是使歸算到電動機軸上的負(fù)載慣量與電動機的慣量相匹配（負(fù)載慣量等于電機慣量，即慣量比為1），系統(tǒng)可實現(xiàn)最佳的功率傳輸，并能得到最大的負(fù)載加速度，一般在電機慣量JM與負(fù)載慣量JL(折算至電動機軸)進(jìn)行下列匹配關(guān)系：

另外，關(guān)于負(fù)載相關(guān)的轉(zhuǎn)動慣量計算，即圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算：

其中，R為圓柱體半徑，M為圓柱體質(zhì)量。

細(xì)桿的轉(zhuǎn)動慣量計算（當(dāng)回轉(zhuǎn)軸過桿的端點并垂直于桿時）：

其中，m為桿的質(zhì)量，L為桿的長度。

本設(shè)計負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算：負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量由三部分組成，第一部分是均勻安裝于臺芯表面中心位置的直徑180 mm高度為65 mm圓柱空間內(nèi)的圓蓋、真空發(fā)生器及其附屬管路器件，其質(zhì)量和為2.55 kg，依據(jù)式（3）進(jìn)行近似估算，其轉(zhuǎn)動慣量計算為0.010 3㎏·m2；第二部分為臺芯部分（厚度20 mm，密度為7 850㎏/m3），依據(jù)式（3）進(jìn)行近似估算，其轉(zhuǎn)動慣量為0.108 9㎏·m2，第三部分為4個電池硅片承載爪，依據(jù)式（4）進(jìn)行近似估算，其轉(zhuǎn)動慣量為0.055 6㎏·m2，旋轉(zhuǎn)傳輸臺合計總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為0.174 8㎏·m2，依據(jù)式（2），本設(shè)計所選伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量適用范圍為0.174 8～0.699 2㎏·m2。

3.3.2 伺服電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的計算

確定伺服電機轉(zhuǎn)速主要與工序處理速度等指標(biāo)相關(guān)，伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速和總轉(zhuǎn)動慣量相關(guān)，電機功率與轉(zhuǎn)矩成正比，伺服電機最大加速度為：

其中，Tp為伺服電機轉(zhuǎn)矩，Jm為伺服電機慣量，JL為負(fù)載慣量。

伺服電機功率計算式為：

其中，P為功率，T為轉(zhuǎn)矩，n為每分鐘轉(zhuǎn)速。伺服電機在正常應(yīng)用環(huán)境下，包括加速、勻速、減速、靜止4個階段（如圖7所示），高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺每小時電池片設(shè)計加工產(chǎn)量為3 000片，所以其加工節(jié)奏是1.2 s/片，每1.2 s驅(qū)動電機需要啟動停止一次并旋轉(zhuǎn)90°，由于靜止?fàn)顟B(tài)是配合機械手處理相應(yīng)工序，靜止時間由外部條件決定，外部機械手要求旋轉(zhuǎn)傳輸臺靜止時間達(dá)0.95 s，所以，剩余0.25 s時間為加速時間、勻速時間及減速時間之和，本設(shè)計的伺服電機采用電磁制動器強制制動，電磁制動力矩選200 N·m，理想狀態(tài)下，伺服電機轉(zhuǎn)動慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量相匹配時，伺服電機轉(zhuǎn)動慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量相等，所以，依據(jù)式（5）計算伺服電機減速轉(zhuǎn)動加速度為-65 555°/s2，相對于200 r/min以下的伺服電機，減速時間最多為2 ms以內(nèi)，剩余0.23 s時間為加速時間和勻速時間之和，在最省電情況下，0.23 s全部作為加速時間，剛好加速到勻速并且伺服電機剛化旋轉(zhuǎn)90°，勻速時間為0，計算出伺服電機轉(zhuǎn)動加速度為3 402°/s2，并確定伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度最小為130.4 r/min，即在該速度以上能滿足設(shè)計使用要求，由此依據(jù)式（5）計算出電機有效轉(zhuǎn)矩為10.38 N·m以上，伺服電機連續(xù)轉(zhuǎn)矩必須在有效轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)加上轉(zhuǎn)軸摩擦轉(zhuǎn)矩。

圖7 電機運行時序圖

3.3.3 伺服電機型號的確定

通過對多廠家電機型號、性能比較，喜開理公司生產(chǎn)的AX4075直驅(qū)伺服電機轉(zhuǎn)速140 r/min，電機轉(zhuǎn)動慣量為0.195㎏·m2，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩為25 N·m，輸出軸摩擦轉(zhuǎn)矩為10 N·m，電機有效連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩為15 N·m，功率375 W，指標(biāo)在計算結(jié)果基礎(chǔ)上均留有10%余量，總體滿足設(shè)計計算要求，確定為應(yīng)用型號。

4 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺的實際應(yīng)用效果

根據(jù)以上設(shè)計，生產(chǎn)線對高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺進(jìn)行了升級改造（如圖8所示），通過3天的試生產(chǎn)調(diào)試后，采用了同批次170μm厚度、長寬為182 mm×182 mm單晶硅片電池20 000片在新舊兩條生產(chǎn)線進(jìn)行了比對劃片生產(chǎn)測試（見表1），每條生產(chǎn)線10 000流片量，在同等型號及批次單晶硅電池片原料供應(yīng)情況下，生產(chǎn)速率和生產(chǎn)碎片損耗有明顯差異，高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺工藝的平均碎片率為0.39%，比線性展開式分步流水線的平均碎片率2.72%明顯要低，同時高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺流水線的每小時產(chǎn)能達(dá)3 141片，比預(yù)期設(shè)計的每小時3 000片要高，電池片切割尺寸精度明顯提高，達(dá)到±0.15 mm；產(chǎn)能、碎片率及劃片尺寸精度均達(dá)到設(shè)計預(yù)期要求，同時產(chǎn)能指標(biāo)略有盈余，主要得益于電機轉(zhuǎn)速及電機轉(zhuǎn)速加速度選型的裕量；高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺在調(diào)試初期所解決事項較多，調(diào)試結(jié)束后，整體運行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計效果。

表1 對比測試表

圖8 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺

5 結(jié) 論

本文主要研究了高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺的原理及其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對重要部件進(jìn)行了AUTOCAD制圖，并就重要外購器件進(jìn)行計算選型；高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺設(shè)計的主要難點在于直驅(qū)伺服電機驅(qū)動技術(shù)、剎車定位技術(shù)、真空發(fā)生器應(yīng)用技術(shù)等。