電池片高速劃片旋轉傳輸臺的研究

張奚語

(廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004)

隨著制造業的發展，自動流水線技術的應用日益普遍并不斷得到發展和提高，傳統的線性展開式分步作業自動流水線占地空間大、節奏慢，逐步被高密集度、高可靠性的自動回轉臺流水線取代。本文所述設計的電池片高速旋轉傳輸臺應用于光伏電池片流水線生產領域，其設計目的是為了提高生產自動流水線空間的緊密度，實現生產質量和生產速度的雙重突破。

1 電池片劃片線性分步作業流水線常見問題

早期電池片劃片傳輸技術采用傳送鏈與機械手作業相結合的線性展開式分步流水作業模式（如圖1所示），經長期運行驗證，暴露出很多問題，首先是傳輸節奏較慢，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2%以上；第三是傳送鏈擺動，劃片加工精度不穩定，尺寸精度超過±0.5 mm。隨著太陽能光伏產業規模的擴大、集中度的提高和質量要求的提升，回轉臺式流水作業技術進入到了光伏生產領域并迅速得到推廣應用。

圖1 傳統電池硅片的傳輸方式

2 高速旋轉傳輸臺的設計指標及方案

2.1 高速旋轉傳輸臺的設計指標

高速旋轉傳輸臺是電池片自動劃片環節的核心部件，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，在旋轉傳輸臺設計性能上必須滿足以下3項指標：傳輸產能為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±0.2 mm。

2.2 高速旋轉傳輸臺方案設計

為保障旋轉傳輸臺節奏快，可靠性高，其總體方案設計如下：旋轉傳輸臺采用直驅式伺服電機提供動力，總體采用軸中空T形結構。旋轉傳輸臺由4個電池片承載爪、1個工作臺臺芯、1臺伺服驅動電機、4個真空發生器等部件組成。工作臺臺芯直接固定于伺服電機轉子面板上，伺服電機按控制系統給定的指令直接驅動旋轉傳輸臺高速運行。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作業。傳輸臺整體設計成對稱式，轉動軸采用中空結構，減少轉動慣量，提升固有頻率，保障高速平穩旋轉。轉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計真空吸盤，提高電池片高速旋轉中的定位精度。為避免4個工序作業真空吸附相互干擾，每個承載爪單獨采用一套真空發生器。高速旋轉傳輸臺總體結構如圖2所示。

圖2 旋轉傳輸臺

3 高速旋轉傳輸臺的部件設計與選型

3.1 工作臺臺芯和電池片承載爪的設計

為了實現旋轉傳輸臺運行平穩、節能、空間集約及轉動慣量匹配，傳輸臺除伺服電機以外的部件整體設計成了圓盤結構，工作臺臺芯在4個方向均勻配置4個電池片承載爪，臺芯和承載爪均進行了對稱化設計，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電池片高速旋轉運行，其寬度和長度分別設計為130 mm和235 mm（電池片承載爪設計如圖4所示），承載爪上布置有6個直徑20 mm硅橡膠負壓吸盤，吸盤通過負壓吸附電池片，保障電池片在高速旋轉時不產生位移，實現電池片劃片時的位置同一性，確保實現±0.2 mm尺寸精度。

圖4 電池硅片承載爪

3.2 真空發生器的選型

真空發生器工作原理如圖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）產生真空的方式能發生的最大真空度為-100.8 kPa。真空發生器的流量計算：

圖5 真空發生器原理示意圖

其中，S為真空流量，V為吸盤入口處到真空發生器的總體積，T為到達最大真空度的時間，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能夠滿足定位應用，從吸盤到真空發生器的體積V=0.023 6 L，根據運行節奏為1.2 s，硅片放置于承載爪上0.3 s（0.005 min）需達到最大真空度，初始大氣壓為100 kPa，根據式（1）計算出真空流量S為18.47 L/min；余量系數取值1.15，真空流量取值21.2 L/min，真空發生器選用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，符合設計要求。

圖6 真空發生器選型

3.3 驅動電機的選型

考慮到系統操控性，驅動電機主要從步進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勢，本方案驅動電機選擇伺服電機。伺服電機的轉動慣量、轉速及連續輸出轉矩（功率）匹配計算如下。

3.3.1 伺服電機轉動慣量的計算

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

另外，關于負載相關的轉動慣量計算，即圓柱體的轉動慣量計算：

其中，R為圓柱體半徑，M為圓柱體質量。

細桿的轉動慣量計算（當回轉軸過桿的端點并垂直于桿時）：

其中，m為桿的質量，L為桿的長度。

本設計負載轉動慣量計算：負載的轉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圓柱空間內的圓蓋、真空發生器及其附屬管路器件，其質量和為2.55 kg，依據式（3）進行近似估算，其轉動慣量計算為0.010 3㎏·m2；第二部分為臺芯部分（厚度20 mm，密度為7 850㎏/m3），依據式（3）進行近似估算，其轉動慣量為0.108 9㎏·m2，第三部分為4個電池硅片承載爪，依據式（4）進行近似估算，其轉動慣量為0.055 6㎏·m2，旋轉傳輸臺合計總負載轉動慣量為0.174 8㎏·m2，依據式（2），本設計所選伺服電機轉子轉動慣量適用范圍為0.174 8～0.699 2㎏·m2。

3.3.2 伺服電機的轉速和輸出轉矩的計算

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

其中，Tp為伺服電機轉矩，Jm為伺服電機慣量，JL為負載慣量。

伺服電機功率計算式為：

其中，P為功率，T為轉矩，n為每分鐘轉速。伺服電機在正常應用環境下，包括加速、勻速、減速、靜止4個階段（如圖7所示），高速旋轉傳輸臺每小時電池片設計加工產量為3 000片，所以其加工節奏是1.2 s/片，每1.2 s驅動電機需要啟動停止一次并旋轉90°，由于靜止狀態是配合機械手處理相應工序，靜止時間由外部條件決定，外部機械手要求旋轉傳輸臺靜止時間達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，理想狀態下，伺服電機轉動慣量與負載轉動慣量相匹配時，伺服電機轉動慣量與負載轉動慣量相等，所以，依據式（5）計算伺服電機減速轉動加速度為-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，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90°，勻速時間為0，計算出伺服電機轉動加速度為3 402°/s2，并確定伺服電機的旋轉速度最小為130.4 r/min，即在該速度以上能滿足設計使用要求，由此依據式（5）計算出電機有效轉矩為10.38 N·m以上，伺服電機連續轉矩必須在有效轉矩基礎加上轉軸摩擦轉矩。

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，喜開理公司生產的AX4075直驅伺服電機轉速140 r/min，電機轉動慣量為0.195㎏·m2，連續輸出轉矩為25 N·m，輸出軸摩擦轉矩為10 N·m，電機有效連續輸出轉矩為15 N·m，功率375 W，指標在計算結果基礎上均留有10%余量，總體滿足設計計算要求，確定為應用型號。

4 高速旋轉傳輸臺的實際應用效果

根據以上設計，生產線對高速旋轉傳輸臺進行了升級改造（如圖8所示），通過3天的試生產調試后，采用了同批次170μm厚度、長寬為182 mm×182 mm單晶硅片電池20 000片在新舊兩條生產線進行了比對劃片生產測試（見表1），每條生產線10 000流片量，在同等型號及批次單晶硅電池片原料供應情況下，生產速率和生產碎片損耗有明顯差異，高速旋轉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，同時高速旋轉傳輸臺流水線的每小時產能達3 141片，比預期設計的每小時3 000片要高，電池片切割尺寸精度明顯提高，達到±0.15 mm；產能、碎片率及劃片尺寸精度均達到設計預期要求，同時產能指標略有盈余，主要得益于電機轉速及電機轉速加速度選型的裕量；高速旋轉傳輸臺在調試初期所解決事項較多，調試結束后，整體運行平穩，達到了預期設計效果。

表1 對比測試表

圖8 高速旋轉傳輸臺

5 結 論

本文主要研究了高速旋轉傳輸臺的原理及其機械結構設計，針對重要部件進行了AUTOCAD制圖，并就重要外購器件進行計算選型；高速旋轉傳輸臺設計的主要難點在于直驅伺服電機驅動技術、剎車定位技術、真空發生器應用技術等。