張奚語

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)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(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)流水線取代。本文所述設(shè)計(jì)的電池片高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)應(yīng)用于光伏電池片流水線生產(chǎn)領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)目的是為了提高生產(chǎn)自動(dòng)流水線空間的緊密度，實(shí)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(jī)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(yùn)行驗(yàn)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(shí)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(dòng)，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(kuò)大、集中度的提高和質(zhì)量要求的提升，回轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)及方案

2.1 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)是電池片自動(dòng)劃片環(huán)節(jié)的核心部件，傳輸臺(tái)必須配合機(jī)械手完成上料定位、檢測、劃片和掰片4項(xiàng)動(dòng)作，在旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)設(shè)計(jì)性能上必須滿足以下3項(xiàng)指標(biāo)：傳輸產(chǎn)能為3 000片/h以上（完成每片傳輸動(dòng)作時(shí)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(tái)方案設(shè)計(jì)

為保障旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)節(jié)奏快，可靠性高，其總體方案設(shè)計(jì)如下：旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)采用直驅(qū)式伺服電機(jī)提供動(dòng)力，總體采用軸中空T形結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)由4個(gè)電池片承載爪、1個(gè)工作臺(tái)臺(tái)芯、1臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4個(gè)真空發(fā)生器等部件組成。工作臺(tái)臺(tái)芯直接固定于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子面板上，伺服電機(jī)按控制系統(tǒng)給定的指令直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)高速運(yùn)行。電池片承載片固定于工作臺(tái)臺(tái)芯四方，承載爪承載硅片并配合處理相關(guān)作業(yè)。傳輸臺(tái)整體設(shè)計(jì)成對(duì)稱式，轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用中空結(jié)構(gòu)，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提升固有頻率，保障高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(gè)工序作業(yè)真空吸附相互干擾，每個(gè)承載爪單獨(dú)采用一套真空發(fā)生器。高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)

3 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)的部件設(shè)計(jì)與選型

3.1 工作臺(tái)臺(tái)芯和電池片承載爪的設(shè)計(jì)

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

圖3 工作臺(tái)臺(tái)芯

電池片承載爪均勻安裝于工作臺(tái)臺(tái)芯四方，根據(jù)承載爪與工作臺(tái)臺(tái)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(yùn)行，其寬度和長度分別設(shè)計(jì)為130 mm和235 mm（電池片承載爪設(shè)計(jì)如圖4所示），承載爪上布置有6個(gè)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(shí)不產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)電池片劃片時(shí)的位置同一性，確保實(shí)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(dòng)，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(jì)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(shí)間，P1為初始大氣壓強(qiáng)，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(gè)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(yùn)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(jì)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(hào)（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(jì)要求。

圖6 真空發(fā)生器選型

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

考慮到系統(tǒng)操控性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要從步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)中選擇，由于伺服電機(jī)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(dòng)電機(jī)選擇伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速及連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩（功率）匹配計(jì)算如下。

3.3.1 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算

為使伺服電機(jī)具有快速響應(yīng)能力，必須使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行匹配，通常是使歸算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)的慣量相匹配（負(fù)載慣量等于電機(jī)慣量，即慣量比為1），系統(tǒng)可實(shí)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(jī)慣量JM與負(fù)載慣量JL(折算至電動(dòng)機(jī)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(dòng)慣量計(jì)算，即圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(dòng)慣量計(jì)算（當(dāng)回轉(zhuǎn)軸過桿的端點(diǎn)并垂直于桿時(shí)）：

其中，m為桿的質(zhì)量，L為桿的長度。

本設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由三部分組成，第一部分是均勻安裝于臺(tái)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(dòng)慣量計(jì)算為0.010 3㎏·m2；第二部分為臺(tái)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(dòng)慣量為0.108 9㎏·m2，第三部分為4個(gè)電池硅片承載爪，依據(jù)式（4）進(jìn)行近似估算，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.055 6㎏·m2，旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)合計(jì)總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.174 8㎏·m2，依據(jù)式（2），本設(shè)計(jì)所選伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量適用范圍為0.174 8～0.699 2㎏·m2。

3.3.2 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

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

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

伺服電機(jī)功率計(jì)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(jī)在正常應(yīng)用環(huán)境下，包括加速、勻速、減速、靜止4個(gè)階段（如圖7所示），高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)每小時(shí)電池片設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)需要啟動(dòng)停止一次并旋轉(zhuǎn)90°，由于靜止?fàn)顟B(tài)是配合機(jī)械手處理相應(yīng)工序，靜止時(shí)間由外部條件決定，外部機(jī)械手要求旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)靜止時(shí)間達(dá)0.95 s，所以，剩余0.25 s時(shí)間為加速時(shí)間、勻速時(shí)間及減速時(shí)間之和，本設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)采用電磁制動(dòng)器強(qiáng)制制動(dòng)，電磁制動(dòng)力矩選200 N·m，理想狀態(tài)下，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相匹配時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相等，所以，依據(jù)式（5）計(jì)算伺服電機(jī)減速轉(zhuǎn)動(dòng)加速度為-65 555°/s2，相對(duì)于200 r/min以下的伺服電機(jī)，減速時(shí)間最多為2 ms以內(nèi)，剩余0.23 s時(shí)間為加速時(shí)間和勻速時(shí)間之和，在最省電情況下，0.23 s全部作為加速時(shí)間，剛好加速到勻速并且伺服電機(jī)剛化旋轉(zhuǎn)90°，勻速時(shí)間為0，計(jì)算出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)加速度為3 402°/s2，并確定伺服電機(jī)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(jì)使用要求，由此依據(jù)式（5）計(jì)算出電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩為10.38 N·m以上，伺服電機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)序圖

3.3.3 伺服電機(jī)型號(hào)的確定

通過對(duì)多廠家電機(jī)型號(hào)、性能比較，喜開理公司生產(chǎn)的AX4075直驅(qū)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速140 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)有效連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩為15 N·m，功率375 W，指標(biāo)在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上均留有10%余量，總體滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，確定為應(yīng)用型號(hào)。

4 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線對(duì)高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)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(duì)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(hào)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(tái)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(shí)高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)流水線的每小時(shí)產(chǎn)能達(dá)3 141片，比預(yù)期設(shè)計(jì)的每小時(shí)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(jì)預(yù)期要求，同時(shí)產(chǎn)能指標(biāo)略有盈余，主要得益于電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度選型的裕量；高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)在調(diào)試初期所解決事項(xiàng)較多，調(diào)試結(jié)束后，整體運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

表1 對(duì)比測試表

圖8 高速旋轉(zhuǎn)傳輸臺(tái)

5 結(jié) 論

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