袪PSG 上料自動化產能提升方法研究

宋沛毅， 剌穎乾， 王志宏

（中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原 030024）

0 引言

光伏產業作為我國戰略性新興產業之一，其發展對于調整能源結構、推進能源生產、促進生態文明建設具有重要意義。尤其在近幾年，在國家政策支持及技術革新驅動的利好環境下，光伏產業迅速發展。同時光伏行業的競爭也越來越激烈，各個生產廠商對于產能及效率的要求也越來越高，工藝路線也更加多元化，不僅有PERC 工藝，也有TOPCON、HJT 等工藝相繼推出。本文所研究的袪PSG 上料機便是應用于TOPCON 工藝產線上祛PSG 的上料自動化設備[1-2]。

本文通過分析袪PSG 上料自動化的結構和工作原理，對產能的影響因素進行研究，同時對相關機構進行優化，從而提高了設備的產能。

1 袪PSG 上料機的結構和工作流程

1.1 袪PSG 上料機的主要結構

袪PSG 上料機主要包括花籃循環機構、花籃升降機構、花籃旋轉機構、伸縮手取片機構、硅片緩存機構、橫向傳輸機構、頂起橫傳機構和縱向傳送機構，各個機構排布如圖1 所示。

圖1 L 型袪PSG 上料自動化機構排布

1.2 袪PSG 上料機的工作流程

1）AGV 小車將裝滿硅片的花籃傳送到花籃循環機構上層，機構上的皮帶通過電機驅動，將裝滿硅片的花籃傳送至花籃旋轉機構。

2）花籃旋轉機構根據硅片傳輸方向，將裝滿硅片的花籃進行旋轉，使得花籃開口朝向硅片傳輸的方向。

3）旋轉方向后的滿硅片花籃傳出至花籃升降機構，升降機構運行，將花籃抬升至設定好的位置。

4）伸縮手取片機構的伸縮板伸出至第一張硅片下方，同時伸縮板上的皮帶通過步進電機驅動，將硅片傳出，同時花籃升降機構下降一個硅片間隔的距離，伸縮手繼續通過皮帶將第二張硅片傳出，如此重復循環，直至將花籃中的所有硅片取出。

5）橫向機構將伸縮手取片機構傳出的硅片傳送至頂起橫傳機構上，并通過光電傳感器對硅片距離進行重新排布。

6）當頂起橫傳機構上的硅片排滿時，頂起橫傳機構氣缸下降，將排布好的硅片放置于縱向傳送機構上。

7）縱向機構皮帶轉動，將一排硅片傳送至主機，完成硅片傳輸。

8）上述機構循環運行，實現硅片源源不斷的傳送至工藝主機內部。

2 袪PSG 上料機的產能分析

在袪PSG 上料自動化現場使用過程中，頂起橫傳機構上的硅片處于不間斷排片狀態，而其他機構存在間歇式等待動作，所以影響硅片傳輸產能的制約因素便在頂起橫傳機構，且對于兩道橫向傳輸結構來說，離主機臺更遠處的頂起橫傳機構因縱向傳輸時間更長，所以只需分析此處的頂起橫傳機構產能。設每列硅片從排片開始到傳入主機的時間為TD，則可以得出：

式中：TP為硅片在頂起橫傳機構上排片的時間；TQX為頂起橫傳機構氣缸下降的時間；TC為硅片從頂起橫傳機構傳輸到主機臺的時間；TQS為頂起橫傳機構氣缸抬升復位的時間。

經過現場分析，頂起橫傳機構氣缸下降和抬升的時間分別為TQX=1 s，TQS=0.8 s，而縱向傳輸時間TC為縱向傳輸距離除以主動輪的線速度，而主動輪的線速度為其轉速n 乘以主動輪外邊沿周長，即：

式中：n 為轉速，保證硅片縱向穩定傳輸的主動輪轉速為0～6 rad/s；D 為主動輪外徑，取30 mm；LC為縱向傳輸距離，B 側縱向傳輸距離為800 mm。

當主動輪以最大轉速運行時，TC≈1.41 s。

對于TP來說，硅片在頂起橫傳機構上排布的時間為：每張硅片走步進時的時間tb加上步進停頓的時間tt，乘以硅片排布的數量X，再加上硅片在頂起橫傳機構上整體位置調整所用的時間tw，即：

這里袪PSG 上料機為十道機型，故X=10；tw時間很短，基本可以忽略不計；硅片走步進時間tb等于每步進的距離LB除以傳輸速度v；主動輪外徑D=30 mm；步進距離LB為250 mm；tt由PLC 程序控制為0.15 s，帶入式（3）中可知TP與橫向電機轉速n 的關系為：

而傳輸速度的極限取決于硅片是否在皮帶上打滑，根據試驗，采用A 供應商的皮帶，材質為聚氨酯，其電機轉速n 最大可以為6 rad/s，帶入式（4）中得：TP=5.92 s。

再將以上數據帶入式（1）可得：TD=9.13 s，即10張硅片排滿頂起橫傳機構并傳入主機這一個周期時間為9.13 s，單道對應的產能便為3 943 片/h，雙道產能為7 886 片/h，即為此設備產能。

3 產能提高方法探究

3.1 提高電機轉速

由式（4）可知，提升橫向電機轉速可以有效提高產能，但皮帶轉速過快又會導致硅片在皮帶上打滑，故可以通過替換摩擦系數更大的皮帶來提高橫向電機最大的轉速，通過試驗比對，采用氟橡膠可以有效提高與硅片的靜摩擦力，可使橫向電機最大速度達到8 rad/s，將數據帶入式（1）可得：TD=8.02 s，對應產能為8 977 片/h，提高產能12.15%。

3.2 采用U 型雙側上料結構

對于設備擺放空間充裕的情況下，可以將L 型結構設計為U 型結構，兩邊上料的方式，如圖2 所示。此時可以將設備看作由2 臺五道的單側上料機組成，即道數X=5，同樣帶入式（3）及式（1）中可得，TD=6.17 s，對應理論產能5834片/h，對應設備理論產能11668 片/h。由于設備在實際運行過程，兩側同時排片會出現短時間的不同步情況，實際產能約為11 000 片/h，略小于理論產能，故實際提高產能約為39.4%。

圖2 U 型結構袪PSG 上料自動化布局

3.3 縮短縱向機構傳送時間

通過式（2）可知，縮短縱向傳送的距離，可以減小縱向傳輸時間TC，同樣可以減小每列硅片傳入主機的時間TD。目前下側頂起橫傳機構的傳輸距離約為800mm，將縱向傳送機構分為兩段傳送，如圖3 所示，可以將硅片縱向傳輸距離減小約300 mm，即縱向傳輸距離LC=500 mm，此時TC=0.88 s，在其他條件相同情況下，對應設備產能為8 372 片/h，提升產能6.16%。

圖3 兩段縱向傳輸式結構

3.4 增加橫向傳輸機構

在兩組橫向傳輸的基礎上，再增加一組橫向傳輸組件，同樣可以提升硅片上料的產能，如圖4 所示。在增加一組橫向傳輸組件的同時，相應的也會增加一組伸縮手取片機構、硅片緩存機構、橫向傳輸機構、頂起橫傳機構和縱向傳送機構。

圖4 三道橫向傳輸式結構

當增加了一組橫向傳輸組件后，縱向機構硅片傳輸的距離也會相應的加長，此時LC=1 050 mm，由式（1）—式（3）可知，TD=9.58 s，對應單道產能3 758 片/h，三道產能11 274 片/h，提高產能42.9%。

4 產能提升效果分析

以上共列舉出4 種提升產能的方法，包括更換皮帶材質以提高橫向傳輸速度、采用U 型雙邊上料方式、采用兩段縱向傳輸方式以減小縱向傳輸距離、增加一組橫向傳輸組件的方式，均可以不同程度的提高設備的產能，如表1 所示。

表1 不同方式對設備產能提升情況

可以看出，優化設備結構，采用U 型雙邊上料、增加橫傳組件的方式提升效果明顯，但相應的也會增加設備成本，同時也會增加設備的整體尺寸，在采用時，需綜合考慮設備擺放空間情況。更換皮帶材質以提高橫向傳輸速度，設計為兩段縱向傳輸方式以減小縱向傳輸距離的方式，可以提高一定的產能，其優點在于改造成本較低，簡單便捷。

如果在成本允許、且設備擺放空間充裕的情況下，以上的方法可以一并采用，相對應的效率可以提升至19 200 片/h，大大提升了袪PSG 上料自動化設備產能。

5 結語

本文針對袪PSG 上料機的結構和工作原理，對設備產能的影響因素進行分析，提出了多種提升設備產能的方法，并通過比對，以便于在不同情況下滿足客戶對產能的需求，提升了設備的競爭力。