自動稱重系統(tǒng)在全自動硅片上下料機的應(yīng)用

剌穎乾

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

在太陽能電池片生產(chǎn)過程中，擴散工藝后的電池片表面（包括邊緣）都將覆蓋上磷，P-N結(jié)的正面收集到的光生電子會沿著覆蓋磷的區(qū)域流到P-N結(jié)的背面，造成短路從而降低并聯(lián)電阻，電池片刻蝕工藝通過化學(xué)腐蝕的方法有選擇性地去除擴散工藝后電池片邊緣的N型層，避免P-N結(jié)短路造成并聯(lián)電阻降低。刻蝕工藝是利用HF和HNO3的混合酸液對擴散工藝后硅片下表面和邊緣進行腐蝕，反應(yīng)去除邊緣的N型硅，最終使硅片上下表面相互絕緣。化學(xué)反應(yīng)方程式為：

當(dāng)電池片經(jīng)過刻蝕工藝后，一般要求電池片表面腐蝕深度控制在0.8～1.6μm范圍內(nèi)，同時電池片表面刻蝕寬度不超過2 mm，刻蝕邊緣絕緣電阻大于1 kΩ[1]。對于刻蝕工藝程度可以通過電池片減薄量來衡量（刻蝕前質(zhì)量減去刻蝕后質(zhì)量），之前的測量是人工取電池片在電子秤測量，手動記錄數(shù)據(jù)并計算減薄量，然后通過匯總的數(shù)據(jù)分析工藝指標，此方法耗費人力、時間，對于自動化工廠來說成本高、不智能。

本文基于全自動上下料機自動稱重系統(tǒng)的開發(fā)，通過在上料機和下料機分別稱重的方式，測量刻蝕工藝前后硅片的質(zhì)量并匯總計算數(shù)據(jù)得到電池片的減薄量，整個稱重過程完全自動化，無需人工干預(yù)，同時可以自動識別刻蝕工藝的料道，可以單獨檢測某一刻蝕工序料道的刻蝕質(zhì)量，測量后的數(shù)據(jù)自動匯總并計算，可以有效提供數(shù)據(jù)支撐，進一步完善刻蝕工藝。

1 全自動電池片上下料機

全自動電池片上下料機應(yīng)用于刻蝕工藝前后，上料機從上道工序接收裝滿電池片的花籃，然后自動傳輸電池片到刻蝕工藝設(shè)備，在刻蝕工藝設(shè)備做好刻蝕處理后，將電池片傳輸至下料機，下料機自動接收刻蝕設(shè)備工藝處理后的電池片，并將電池片重新裝進花籃中，完成上下料機系統(tǒng)電池片傳輸?shù)娜蝿?wù)，整個過程中上下料花籃都采用AGV小車自動裝卸，大大降低人工強度，提高了生產(chǎn)效率，減少人工與電池片的接觸，從而避免人為因素造成電池片的污染，提高了電池片的轉(zhuǎn)換效率和成品率。同時全自動硅片上料機配備視覺檢測系統(tǒng)，可以檢測上道工序來料碎片并分揀到收片盒中，有效提高電池片的成品率，避免后續(xù)工藝的多余工作。為了進一步檢測刻蝕工藝的好壞，全自動電池片上下料機配備自動稱重系統(tǒng)，自動檢測工藝前后電池片的減薄量，并能夠?qū)⒚看螠y量的數(shù)據(jù)做成報表，方便工藝人員統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進一步完善工藝，圖1是自動電池片上下料機示意圖。

圖1 自動上下料機示意圖

2 自動稱重系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)流程設(shè)計

自動稱重系統(tǒng)是基于全自動電池片上下料機來實現(xiàn)減薄量的測量，圖2為自動稱重系統(tǒng)流程圖。

圖2 自動稱重系統(tǒng)流程

稱重系統(tǒng)主要由上料機、下料機、稱重臺、抓片機構(gòu)、工控機、顯示屏構(gòu)成。自動上下料機運行是通過PLC控制，正常生產(chǎn)時上料機通過傳送機構(gòu)將電池片傳送至料道，然后將電池片發(fā)至工藝機臺做工藝處理。當(dāng)需要進行稱重操作時，PLC自動控制傳輸機構(gòu)傳送電池片至上料稱取位置，抓手自動抓取電池片進行稱重，稱重完成后PLC自動控制電池片進行排片，針對不同的料道會有不同的排片形式，目的是下料可通過不同的排片方式自動識別出稱重片在哪一個通道做工藝。上料機稱重完成后，會將相應(yīng)的稱重數(shù)據(jù)包括料道信息、上料電池片稱重數(shù)據(jù)、稱重完成信號通過網(wǎng)口modbus協(xié)議傳輸?shù)较铝螾LC。經(jīng)過刻蝕工藝后的稱重片到下料機后，能夠通過傳感器識別并挑出稱重片到稱重臺進行第二次稱重操作，待稱重完成后下料PLC將兩次稱重數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸?shù)焦た貦C，顯示屏顯示本次上下料稱重的數(shù)據(jù)，同時如有需要可以導(dǎo)出所有稱重數(shù)據(jù)作為報表，通過分析相應(yīng)的減薄量來改善刻蝕工藝。

2.2 自動稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計

上料稱重系統(tǒng)硬件主要包括稱重臺機構(gòu)、稱重吸盤機構(gòu)、稱重片氣缸取放機構(gòu)、高精度電子秤及相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換元件；下料稱重系統(tǒng)硬件包括稱重臺機構(gòu)、稱重吸盤機構(gòu)、電機取放機構(gòu)、高精度電子秤及相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換元件，其中電子秤與上下料機PLC采用232協(xié)議通訊，數(shù)據(jù)交換采用歐姆龍PLC的讀取的發(fā)送數(shù)據(jù)指令處理，上下料機稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上下料機稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 自動稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于刻蝕工藝機臺有5個單獨料道來做工藝，且每批電池片數(shù)量達400余片需從上料機進入工藝機臺，完成工藝后傳送至下料機，因此下料機要正確讀取出上料稱重完成的電池片，并且正確抓取出后完成下料稱重操作，同時要完成每一個料道單獨測量刻蝕工藝減薄量的要求，下料機就必須正確識別上料機發(fā)送的電池片是400余片電池片中的哪一片。要實現(xiàn)這一功能，本文通過定義稱重片排片布局的方式來識別上次稱重的電池片，即每一次、每一道稱重片都通過不同的排片方式來表示。稱重排片是通過單道屏蔽的方式來實現(xiàn)：(1)電池片在料道1時，屏蔽2、3、4道，1、5道有料；(2)電池片在料道2時，屏蔽3、4道，1、2、5道有料；(3)電池片在料道3時，屏蔽2、4道，1、3、5道有料；(4)電池片在料道4時，屏蔽2、3道，1、4、5道有料；(5)電池片在料道5時，屏蔽4道，1、2、3、5道有料，如表1所示。正常下料收到一排電池片時都是5個料道滿片，相反如果下料傳感器識別到如上所述的排片形式時，即可正確挑選出在上料進行稱重操作的電池片，然后下料PLC控制硅片傳輸機構(gòu)將該電池片傳送至抓取位置，抓手抓取該電池片進行二次稱重，從而得到該電池片的減薄量數(shù)據(jù)。

表1 稱重片排片布局

按照工藝要求，需要定時檢測工藝機臺電池片的減薄量，通過減薄量數(shù)據(jù)來及時調(diào)整工藝參數(shù)。自動稱重系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求設(shè)置測量時間間隔，當(dāng)啟用自動稱重后，上料機系統(tǒng)會自動進行倒計時操作，當(dāng)?shù)褂嫊r為零時上料機自動開始稱重流程，上料稱重完成后會根據(jù)當(dāng)前測量的料道進行相應(yīng)的排片操作，同時將稱重相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至下料PLC，經(jīng)過刻蝕工藝后工藝機臺將電池片傳送至下料，下料機在收料入口處有5個漫反射光電傳感器，通過傳感器識別出對應(yīng)的排片形式，從而確定稱重片所在料道，下料經(jīng)過電池片傳送機構(gòu)傳送至稱重位，經(jīng)過二次稱重后得到下料稱重數(shù)據(jù)，完成整個稱重流程，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)做處理后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口形式傳送至工控機。

上料機稱重具體流程：

（1）稱重倒計時結(jié)束，上料機在電池片換向處停止向側(cè)傳機構(gòu)送出電池片，此時清除側(cè)傳機構(gòu)皮帶位置的所有電池片，電池片的有無通過接近電容傳感器檢測；與此同時電子秤進行置零操作后打開秤蓋等待稱取電池片，同步進行提高機臺工作效率；

（2）待側(cè)傳機構(gòu)無片時，送稱重片到取片位，稱重吸盤抓手吸取硅片后到稱片位放片，然后抓手離開電子秤，關(guān)閉秤蓋開始稱片操作，關(guān)閉秤蓋是為了稱重數(shù)據(jù)的高精確性；與此同時機臺正常送片等待稱片完成信號，避免產(chǎn)量損失；

（3）稱片完成后進行排稱重片操作。根據(jù)不同的排片方式進行不同的排片操作：當(dāng)稱重片在A1道時，直接取稱重片到取片位，利用單道屏蔽功能空出3片，然后在A5位置排1片，完成第一道的稱重排片操作；當(dāng)稱重片在A2、A3、A4道時，換向先送出1片到頂片機構(gòu)，之后根據(jù)相應(yīng)的單道屏蔽和取稱重片步驟，完成2、3、4道的稱重排片操作；當(dāng)稱重片在A5道時，換向先送出3片硅片到頂片機構(gòu)，之后單道屏蔽空出1片，然后取稱重片到取片位，完成第五道的稱重排片操作。

（4）上料稱重完成后，上料PLC會把稱重數(shù)據(jù)、稱重完成信號（1為完成，0為未完成）、稱重道數(shù)信息（對應(yīng)A1～A5）傳送給下料PLC，人機交互界面如圖4所示。

圖4 上料稱重人機交互界面

下料機稱重具體流程：

（1）下料PLC接收到上料稱重完成的信號后就開始進行秤置零操作，完成后等待稱重片到下料。

（2）上料稱重完成后，稱重排片會經(jīng)過刻蝕工藝傳送到下料，下料通過頂片位的漫反射傳感器識別稱重排片，根據(jù)上料不同的稱重排片布局，下料進行不同的取稱重片操作。

（3）A1、A2、A3、A4道都是在過1片之后取稱重片，A5道的稱重片是頂起機構(gòu)檢測到稱重片后直接取第一片電池片。

（4）待下料稱重完成后，將電池片重新置于料道上，下料PLC將上下料稱重數(shù)據(jù)全部打包傳送至工控機，工控機將稱重數(shù)據(jù)顯示在軟件界面，所需要的歷史稱重數(shù)據(jù)可拷貝出EXCEL作分析。

待下料稱重完成后，上料開始新一輪的稱重，稱重的道數(shù)將自動周期循環(huán)，稱重流程如此往復(fù)，人機交互界面如圖5所示。

圖5 下料稱重人機交互界面

3 稱重系統(tǒng)在全自動上下料機的實際應(yīng)用

將稱重的間隔時間設(shè)置為30 min，設(shè)置好工藝要求減薄量上下限，打開稱重開關(guān)即可開始自動稱重，并作周期循環(huán)。圖6為稱重數(shù)據(jù)報表，顯示【合格】說明刻蝕工藝后硅片減薄量在工藝要求范圍內(nèi)，顯示【不合格】說明刻蝕工藝后硅片的減薄量不在工藝要求范圍內(nèi)，針對相應(yīng)的道數(shù)或者工藝參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。數(shù)據(jù)顯示：（1）由于自動稱重系統(tǒng)不會人工觸碰電池片，相比較人工稱重其電池片不良率下降了5.62%；（2）人工稱重時需要暫停運轉(zhuǎn)中的設(shè)備，然后人工放置稱重片，這期間設(shè)備暫停會導(dǎo)致產(chǎn)能損失，相比較人工稱重，自動稱重系統(tǒng)的應(yīng)用避免了0.37%的產(chǎn)能損失。（3）人工稱重由于人工觸碰電池片、稱重需另外單獨測量等因素，會造成測量誤差，自動稱重系統(tǒng)的測量準確率在99.8%。

圖6 稱重數(shù)據(jù)報表

4 結(jié)束語

自動稱重系統(tǒng)在全自動上下料機的應(yīng)用大幅度提高設(shè)備的自動化程度，減少人力資源的浪費，同時自動稱重的實現(xiàn)避免了人工接觸導(dǎo)致電池片的污染以及產(chǎn)能損失。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用表明：自動稱重系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了全自動上下料機功能集成性，已經(jīng)成為一種成熟的自動控制系統(tǒng)。