張藝超，俞建峰，盛偉鋒

（1.江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122；2.江南大學 機械工程學院，無錫 214122）

高速高精度太陽能硅片插片機的設計

張藝超1,2，俞建峰1,2，盛偉鋒1,2

（1.江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122；2.江南大學 機械工程學院，無錫 214122）

硅片插片機是太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的關鍵設備，而插片機的工作速度與精度直接影響著硅片的制造成本與加工質(zhì)量。高速高精度硅片插片機是一款創(chuàng)新型插片設備，對其總體結(jié)構(gòu)、連續(xù)上料機構(gòu)、水中分離機構(gòu)、水流吸附裝置、檢測剔除裝置、糾偏對中機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)裝籃機構(gòu)及控制系統(tǒng)等進行了一系列創(chuàng)新設計，提高了其精度與速度。從而，可以在滿足生產(chǎn)者對較低的硅片破損率要求的前提下實現(xiàn)生產(chǎn)能效的最大化，為硅片自動化生產(chǎn)提供設備支持。

硅片；插片機；高速；高精度

0 引言

太陽能是一種可再生的綠色能源，硅片是太陽能電池的基本材料，有單晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜等。硅片非常薄，片與片之間的粘附力造成難以分離，且只有180～200μm，重量約為8～16g，其力學性能是易裂易碎[1]。太陽能電池硅片的制造工藝如下[2]：

切片—脫膠—裝籃—清洗—烘干—檢測—包裝

近年來太陽能行業(yè)的爆發(fā)式增長，企業(yè)競爭加劇。因此，降低硅片制造成本成為企業(yè)生存的必然選擇[3]。硅片插片機的應用提高硅片的自動化程度，從而大大降低硅片的成本。國內(nèi)越來越多的企業(yè)致力于硅片插片設備的研究，高效率、高精度的自動插片設備是當前硅片加工領域的熱門的研究方向。硅片插片技術正摒棄人工插片裝籃，自動插片裝籃技術方興未艾[4]。

國內(nèi)許多企業(yè)致力于自動插片機研究，包括天津源天晟科技發(fā)展有限公司、無錫南亞科技有限公司、中國電子科技集團公司第二研究所、無錫索克斯科技有限公司等。無錫南亞研發(fā)的插片設備屬于半自動化設備，需要人工放置硅片并且硅片質(zhì)量需要人工檢測，人工分離及放置硅片的速度制約了生產(chǎn)效率；天津源天晟研制的插片設備可以達到3600片/小時的插片效率，但卻存在機器空閑時間多、漏檢破損硅片的問題?？傮w而言，國內(nèi)的插片設備自動化水平還有很大的提升空間。本文在對國內(nèi)現(xiàn)有插片設備的研究與分析基礎上，進行高速高精度插片機的設計，以解決目前硅片生產(chǎn)中存在的一系列問題。

1 工藝流程

太陽能硅片加工領域普遍使用一種專用花籃，專用花籃用途是將太陽能硅片一片片的裝在花籃的分隔槽中，然后再連同花籃一起去清洗或者做其他的加工。高速高精度插片機基于CCD圖像處理與分析、水流分離吸附等一系列技術，有效實現(xiàn)硅片分離、運輸、殘片檢測、柔性對中、裝籃等工序。高速高精度插片機利用水流噴射技術將切割后成疊的硅片分離，在水流負壓吸附下進行分離傳輸，傳輸過程中，經(jīng)過殘片檢測及剔除工序后，由柔性糾偏對中裝置對合格硅片運動方向進行校正，再將硅片裝籃，為后續(xù)硅片清洗、烘干等工作提供便利。高速高精度插片機的工藝過程如圖1所示[5]。

圖1 硅片裝籃工藝流程

2 插片機的機構(gòu)設計

高速高精度硅片插片機（如圖2所示）的整個運行過程中，工人只需要適時手動完成空上料藍的移除、滿籃的放置即可，插片機的其他動作完全循環(huán)自動完成[6]。本文設計的高速高精度太陽能硅片插片機，采用新型的水中射流分片和水流吸附技術，結(jié)合CCD圖像識別算法和翻轉(zhuǎn)裝籃機械手，實現(xiàn)硅片的分離、吸附、運輸、檢測、裝片入籃，具備高速、高精度特點。

圖2 插片機總體設計

2.1 連續(xù)上料機構(gòu)

目前的硅片插片機的硅片上料工位和插片工位重合。因此，為了提高了硅片上料的自動化程度，降低工人勞動強度，提高插片機的插片效率，高速高精度插片機采用了一種硅片自動上料工位和插片工位相互分離，分別作為兩個獨立工位的機構(gòu)設計。

上料裝置（如圖3所示）包括推桿、滿籃位、空籃位、空位、滿籃接近開關、空籃接近開關、空位接近開關、上料機構(gòu)導向板、進籃機構(gòu)。內(nèi)部放滿太陽能硅片的料籃為滿籃，內(nèi)部無硅片的料籃為空籃。工人將滿籃放置在滿籃位，插片機的進籃機構(gòu)通過滾珠絲桿及左右導桿將插完硅片的空籃退到空籃位。滿籃接近開關、空籃接近開關、空位接近開關實時檢測到滿籃位有滿籃，空籃位有空籃，空位無料籃存在。此時，插片機控制器發(fā)出控制指令，命令推桿伸長，推動滿籃沿著上料機構(gòu)導向板運動，滿籃側(cè)面產(chǎn)生推力，同時也推動空籃沿著上料機構(gòu)導向板向空位運動。推桿到達極限位置時，滿籃被推到空籃位（中間位），空籃則被推到空位。滿籃接近開關實時檢測到無滿籃存在、空籃接近開關檢測到滿籃存在、空位接近開關檢測到有空籃存在，插片機控制器發(fā)出控制指令，命令進籃機構(gòu)將滿籃移動到插片機插片工位，一旦滿籃到達插片機插片工位，插片機開始插片。導桿退回到原始位置，工人將空位上的空籃取走，在滿籃位放上裝滿硅片的滿籃，插片機開始下一次的自動上料循環(huán)。

圖3 連續(xù)上料裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 硅片水中分離機構(gòu)

硅片水中分離裝置是太陽能硅片插片機的核心部分，直接影響到插片機的工作質(zhì)量。傳統(tǒng)設備對粘連的硅片一直存在難以相互分離的難題，導致粘連片傳送至下一級裝置時，造成硅片損壞及設備暫停等問題。本設備開發(fā)一種水中硅片分離[1]技術，大大提高了硅片分離的效率及可靠性。

該水中分片裝置（如圖4所示）包括正面噴射部分、右側(cè)噴射部分、右側(cè)噴射進水管、左側(cè)噴射部分、左側(cè)噴射進水管和正面噴射進水管。一疊硅片置于料籃中，硅片離正面噴射部分的距離為1.5cm，具有壓力的水經(jīng)過正面噴射進水管進入正面噴射部分，正面噴射部分上的微型圓孔上水流高速射出，噴射到硅片上，硅片與硅片之間產(chǎn)生分離力；具有壓力的水經(jīng)過左側(cè)噴射進水管進入左側(cè)噴射部分，左側(cè)噴射部分上的微型圓孔上水流高速射出，噴射到一疊硅片的左側(cè)；具有壓力的水經(jīng)過右側(cè)噴射進水管進入右側(cè)噴射部分，右面噴射部分上的微型圓孔上水流高速射出，噴射到一疊硅片的右側(cè)。硅片在三個方向的水流噴射下，硅片逐片分離并且無損傷；并且能夠強行分離附著力大的疊片。

圖4 硅片水中分離裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 水流吸附裝置

在硅片水中分離的環(huán)境要求下，硅片吸附也同樣要在水中完成，以往在空氣中負壓吸附硅片的技術已經(jīng)不再適用。硅片的厚度非常薄，僅有180～200μm，其力學特性是易裂易碎。而基于RNG k-ε湍流模型的水力吸附硅片內(nèi)部流場流體力學建模和分析可以很好地建立起水力真空吸附硅片模塊，解決水中負壓吸附的難題。

吸附板底部是典型的強湍流場，通過建立合適的流場模型，進行邊界條件設定，實現(xiàn)合適的負壓，使得對硅片的吸附力達到吸附運輸要求。結(jié)合負壓吸附區(qū)域內(nèi)的湍流特性，建立合適的水流抽真空湍流模型，并利用Fluent軟件對真空吸附區(qū)域內(nèi)流場進行模擬分析。通過對吸附板內(nèi)凹腔的面積及深度的控制為水中真空吸附板的設計提供理論依據(jù)。該設備應用的水流負壓吸附裝置[7]（如圖5所示）包括吸附板、緩沖塊、文丘里管、進水孔、負壓腔、出水孔、硅片。在吸附板距離硅片2mm時，水流從進水口以一定的壓力與速度進入文丘里管，從出水孔噴出，從而在負壓腔內(nèi)形成負壓，將硅片吸附起來。

圖5 水流負壓硅片吸附裝置示意圖

2.4 圖像識別與檢測裝置

對于硅片的缺陷檢測和分選，長久以來一直依靠人工來完成。由于人眼容易疲勞且具有不穩(wěn)定性，無法保證硅片檢測的合格率；同時人工分片會增加碎片率，并且隨著生產(chǎn)線速度的提升，人工在速度上存在限制，無法實現(xiàn)高產(chǎn)能。本系統(tǒng)應用了基于CCD圖像識別技術的硅片破損檢測技術。

硅片表面缺陷主要是指表面殘缺。硅片尺寸為125×125mm或者156×156mm。本系統(tǒng)（如圖6所示）測量到的硅片尺寸信息是以圖像像素為單位的，而通常需要以真實物理單位描述尺寸。為此，我們事先對設備進行標定，得到標定系數(shù)，依據(jù)這些系數(shù)就可以進行尺寸換算，從而得出可用作判斷標準和被測硅片真實尺寸的信息。視覺系統(tǒng)不僅可以檢測硅片的碎片，還可以檢測出人眼可能會漏掉的細微破損，包括細微的裂口或劃痕。圖像處理部分的詳細檢測方法流程如圖7所示。

圖6 圖像識別與檢測裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖7 硅片檢測剔除流程圖

其缺陷檢測步驟為：圖像預處理、圖像平滑、圖像分割、閾值分割、邊緣檢測、特征提取、缺陷識別分類。依據(jù)標準硅片圖像與檢測圖像比較，進行缺陷的快速分辨并剔除[10]。

2.5 柔性糾偏對中裝置

硅片在輸送軌道上運行時無法保持穩(wěn)定姿態(tài)，與輸送方向偏斜，將使得硅片無法順利進籃，造成硅片沖擊破損，甚至導致設備無法繼續(xù)運行。因此，必須在進入籃具前對硅片姿態(tài)進行矯正，保證硅片與軌道前行方向一致。而硅片柔性糾偏對中系統(tǒng)的研制，針對太陽能硅片在運送過程中姿態(tài)各異，設計一種適應高速節(jié)拍和柔性化整形的凸輪機構(gòu)，來完成硅片整形。

硅片在輸送軌道上的柔性糾偏系統(tǒng)設計（如圖8所示），需要符合以下主要指標：1）糾偏速度快（設備運行產(chǎn)能要求）；2）糾偏動作要輕（對硅片的作用力?。?）運動末速度要?。▊鬟f給硅片的動能要少）。針對以上設計要求，可采用的糾偏原理有凸輪機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)等。針對不同姿態(tài)的硅片運輸狀態(tài)，通過調(diào)整硅片柔性整形機構(gòu)兩側(cè)電機的整形運動速度，并且設計出高速和柔性化的凸輪整形機構(gòu)來輔助調(diào)整，從而達到硅片糾偏的目的。

圖8 柔性糾偏對中系統(tǒng)

2.6 籃具插片及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

硅片花籃的作用為實現(xiàn)硅片的單片分開隔離放置，這就要求對花籃容料槽的位置定位準確，以保證將硅片準確放入花籃分隔槽，從而需要對花籃進行夾持和定位。目前的夾持定位機構(gòu)從花籃的上下面和側(cè)面進行夾持定位[8]，但是由于花籃長期夾持后有變形，無法滿足定位精度要求；此外單工位氣動機夾持機械手要完成一系列抓取空籃、提升籃具、滿籃移除等動作，插片設備空閑時間多，導致效率較低。因此，需要研究開發(fā)一種定位精度高、速度快的基于硅片加工用花籃的裝籃機構(gòu)，具體要求包括：1）定位精度高，可以達到0.05mm以內(nèi)；2）夾持定位同時完成，速度快，可以1秒內(nèi)結(jié)束夾持定位動作；3）空籃、滿籃之間的交換要連貫迅速，減少插片裝置停機時間。通過本機構(gòu)，可以實現(xiàn)對太陽能領域或者其他領域使用的專用花籃的快速高效的裝籃工藝，以便于后續(xù)的加工處理。

利用滾輪設計一種可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)具有相互交叉角度為90°的支撐定位工作臺，可以實現(xiàn)對籃具的支撐和定位，裝籃工位處設置有籃具升降機構(gòu)。此外，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)與兩條對向運行的傳送帶相連接，一條傳送帶輸入空籃具，另外一條輸出裝滿硅片的籃具，輸送帶的運轉(zhuǎn)停歇由可編程控制器控制。當檢測到裝籃工位上存在籃具正在進行裝籃動作時，輸入空籃傳送帶將空籃輸送至翻轉(zhuǎn)平臺邊緣時立即停止，空籃被夾持機構(gòu)定位在工作臺外等候進入裝籃工位。硅片隨著升降機構(gòu)下降被依次插入裝籃工位處的籃具的分隔槽內(nèi)；待空籃具裝滿硅片后，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，升降機構(gòu)升起，使?jié)M籃與滿籃輸出通道處于同一水平面，將滿籃置由輸出通道上輸出。此時，等待在裝籃工位旁邊的空籃隨即被傳送進入裝籃工位，同時下一個空籃依次輸送到裝籃工位一旁等待。如此往復循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)快速的定位裝籃動作如圖9所示。

圖9 插片機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設計

插片機控制系統(tǒng)由WAGO750可編程序控制器實現(xiàn),針對不同動作的速度、精度的要求采用相應的驅(qū)動元件，從而滿足運作要求。下面就控制系統(tǒng)[9]的硬件及軟件設計分別做出設計分析。

3.1 硬件設計

插片機控制系統(tǒng)硬件部分主要由WAGO750可編程控制器和輸入/輸出器件組成，根據(jù)傳感器收集的信息，通過對步進電機、伺服電機發(fā)送指令達到對設備動作的精確迅速的控制。此外，可通過觸摸屏對提籃高度、傳輸速度等工藝參數(shù)進行設置。控制系統(tǒng)組成框圖如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)組成框圖

3.2 軟件設計

系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制模式，手動方式多用于設備調(diào)試運行；在設置好準確的參數(shù)以后，在自動模式下，設備根據(jù)PLC的控制程序自動運行，如出現(xiàn)故障等則啟用故障報警、安全保護等功能。自動運行狀態(tài)下的過程控制如圖11所示[11]。

圖11 自動運行過程圖

4 結(jié)束語

高速高精度硅片插片機可適應于極薄、易碎、互相粘連的太陽能硅片，是致力于解決傳統(tǒng)插片機存在的問題應運而生的。從對整機結(jié)構(gòu)應用動態(tài)仿真技術進行動作的模擬仿真，保證機構(gòu)設計的可行性，到完成總裝后，進行電氣程序的調(diào)試，都以寬思維、高要求的標準進行。硅片加工是太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)中的關鍵工序，影響光伏組件的質(zhì)量和成本。高速高精度插片機的進一步推廣，能提升太陽能硅電池片自動化生產(chǎn)水平。

[1] 楊春泉.太陽能用硅片分離技術研究[J].輕工科技,2015,(9):56-60.

[2] 蘇杰.晶體硅太陽能電池用硅片制備工藝及關鍵技術[J].云南冶金,2011,40(4):53-56.

[3] 邱明波,黃因慧,劉志東,田宗軍,汪煒,等.太陽能硅片制造方法研究現(xiàn)狀[J].機械科學與技術,2008,27(8):1017-1020.

[4] 牛進毅,李俊嶺,李永珍.全自動硅片裝片機產(chǎn)能分析[J].國際制造技術,2012,(4):34-38.

[5] 楊靜,宋建成,孫曉波,李俊嶺.GZP-2全自動硅片裝片機的研制[J].電子工藝技術,2008,29(6):348-351.

[6] 吳洪坤,張瑾,孫曉波.全自動硅片裝片機工藝設備研制[J].電子元器件資訊,2010,(3):10-12.

[7] 龔東亞.箱體真空吸附裝置:中國,201410820705[P],2015-04-08.

[8] 郭麗媛.非接觸式硅片夾持裝置的研究[D].浙江大學,2010.

[9] 劉一凡.可編程序控制器在插片機上的應用[J].西江大學學報,1999,(3):47-50.

[10] Du-Ming Tsai n, Ming-Chin Lin.Machine-vision-based identification for wafer tracking in solar cell manufacturing[J]. Robotics and Computer-Integrated manufacturing,2013,29:312-321.

[11] Fantoni, Marco Santochi, Gino Dini, Kirsten Trachtb, Grasping devices and methods in automated production processes[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2014,63:679-701.

Design of high-speed and high-precision silicon wafer inserting machine

ZHANG Yi-chao1,2, YU Jian-feng1,2, SHENG Wei-feng1,2

TH122

A

1009-0134(2016)12-0113-05

2016-09-05

江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2015019-28）；江蘇省2016年度普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目（SJLX16-0488）

張藝超（1989 -），男，河南漯河人，碩士研究生，主要從事機電檢測研究。