全自动硅片下料机升降单元的稳定性改进设计

杜虎明

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

全自动硅片下料机升降单元的稳定性改进设计

杜虎明

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

硅片下料机是光伏电池制绒、刻蚀工艺段的自动化设备，升降单元是其核心部件，用来实现硅片在自动传输过程中的换向与传输。在现场使用过程中发现，由于原有单元布局局限性和结构不合理，升降过程持续偏心，从而导致硅片传输偏移传输方向，进而出现设备卡片、碎片等故障。通过对现有单元结构受力分析、增加弹簧导向机构和限位机构，多次实验调试后该单元在稳定性上得到很大提升。目前客户现场大量使用验证，改进后的升降单元稳定可靠，满足生产和使用要求，得到客户认可。

硅片下料机；升降单元；弹簧导向机构；限位机构

太阳能光伏电池生产有多道工艺，其中前段工艺中制绒清洗设备与刻蚀清洗设备都已实现了在线传输功能，硅片下料机是目前在这两个工艺段实现自动化必须的配置设备，主要完成硅片从叠片状态自动传输到工艺设备、从工艺设备自动传输到存储篮具中，升降单元在上下料设备中属于中枢部分，用于实现硅片换向、硅片传输的功能，该单元布局在设备的中心位置上。

提升单元的稳定性和传输的统一性会影响到设备的产能和碎片率等指标。全自动硅片下料机目前主要技术参数为：产能大于4 500 片/h、开工率大于99%、碎片率小于0.5‰(不含本身缺陷片)。提升单元的稳定性决定提升单元上的硅片能否同时达到要求的高度，若不能达到同一高度，会导致碎片。传输的统一性决定硅片能否同时传输并进入中转篮具中，若不能进入篮具会导致卡片、碎片，设备故障，直接影响设备的正常运行。

本文通过对提升单元进行结构受力分析，找出出现故障的原因，并设计增加弹簧导向机构和限位机构，找到解决该问题的办法，解决了很长时间困扰该设备的难题。

1 提升单元结构简介

提升单元由台面基板、顶起气缸、驱动电机、皮带传输系统、156硅片等组成，如图1所示。顶起气缸固定在台面基板与皮带传输系统之间，实现皮带传输系统的提升，达到将传输皮带上的硅片送入下一段皮带上的目的，驱动电机用于驱动皮带使硅片在皮带上传输。提升单元的动作为提升、传输、下降，这三个动作不断重复实现硅片的提升和传输。

图1 提升单元机构示意图

2 问题描述

在实际动作过程中，提升机构的动作会不断重复，顶起气缸提升过程中明显会出现硅片向驱动电机侧偏移，随着机构动作不断重复，硅片跑偏，引起卡片、后段硅片不断传输，不断卡片后导致堵片、碎片，进而设备故障报警，需要人工排除故障，将所有堵片、碎片手动处理。在处理故障过程中影响设备产能、碎片率明细增加。将设备重启后能在短时间内正常运行，持续时间越长，这种故障情况会频繁发生。

3 原因分析

由于原有结构考虑到节约成本与提升动作的一致性，设计时只用单套驱动电机与单套顶起气缸来实现提升与传输功能，另外设备布局有局限性。经过比例建模，对整套结构进行Simulation Xpress软件受力分析，如图2所示，发现主要问题是在顶起气缸顶起的过程中驱动电机一端会偏心，两边受力不均衡，从而导致硅片在提升过程中出现不断的会向驱动电机端偏移，动作不断重复，偏移量不断增加，进而出现卡片、堵片、碎片的连锁反应。

图2 提升单元受力分析图

4 改进方法

4.1 增加弹簧导向机构与限位机构

针对上述问题，在原有单元结构基础上增加弹簧导向机构对气缸上下行程进行导向，并在对应点增加限位机构对整体结构提升动作进行限位支撑，限位机构还可以通过微调对升降的高度位置进行调节。增加上述两种机构后，通过Simulation Xpress软件进行受力分析，分析结果表明增加这两种机构符合设计与应用要求，从理论数据上能达到设计要求。

分别在顶起气缸四周增加弹簧导向机构与限位机构，如图3所示。在上下动作能沿着导向运动，运动的距离由限位机构调节固定，在原有结构基础上打孔安装即可，不需要重新设计台面基板。

图3 增加导向机构与限位机构布局图

4.2 增加配重

为了让提升单元从理论上更合理，使弹簧导向机构与限位机构在完全平衡的状态下动作，在驱动电机对称位置增加配重，使该提升单元完全达到动态平衡的效果。经过受力分析图4所示，该结构处于动态平衡。

图4 动态平衡受力分析图

4.3 标准化提升单元的装配顺序

在装配过程中，对装配顺序进行科学规划，从底层到顶层的安装顺序，在装配各机构时实时调节上下动作，使提升动作顺畅无干涉。

5 改进后效果

通过以上三种解决办法，在原有结构基础上加工装配后在线试运行，该提升单元能顺畅稳定的实现既定动作，从而顶层传输系统能平稳可靠的传输硅片。

6 结语

在机构设计过程中，没有改变原有机构基础上，增加相应的导向与限位结构，即做到从成本上严格控制，又实际解决了设备中的难题，做到一举两得。随着各种设备的不断更新换代，会有更合理的结构出现。只要能达到功能要求，合理的使用任何巧妙结构是机械设计最有说服力的地方。

从客户现场实际应用与大量数据验证可知，改进后的提升单元从根本上解决了硅片在这一环节传输时的卡片、堵片、碎片等问题，极大的提升了设备稳定性与可靠性，为全自动硅片下料机更好的应用提供了有力的技术基础。得到客户的认可和好评。

[1] 邹慧君.机械系统设计原理[M].北京：科学出版社，2003.5-7.

[2] 赵宇.可靠性数据分析[M].北京：国防工业出版社，2011：280-293.

[3] 赵彤.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2003：232-244.

Improved Design of the Lifting Unit of Automatic Silicon Chip Unloading Machine

Du Huming

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

The silicon unloading machine is a kind of automation equipment for the manufacture and the etching process of the photovoltaic cell. The lifting unit is the core part of the silicon chip, which is used to realize the transfer and transmission of the silicon wafer in the process of automatic transmission. In the using process at the site, it is found that due to the limitations of the cell layout and unreasonable structure, the lifting process is continuously eccentric to result in wafer offset transmission direction, and the problems of equipment cards, debris and other fault are occurred. Through the analysis on the existing unit structure and increasing the spring guide mechanism and the limiting mechanism, the stability of the unit has been greatly improved after several experiments. At present, with the on-site verification by a large number of customers, the improved lifting unit is stable and reliable and can meet the production and use requirements.

silicon unloading machine; lifting unit; spring guide mechanism; limiting mechanism

2017-03-08

杜虎明(1982- )，男，工程师，主要从事光伏太阳能电子专用设备研发工作。

1674- 4578(2017)02- 0033- 02

TP272

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