电池片高速划片旋转传输台的研究

张奚语

(广西大学机械工程学院，广西 南宁530004)

随着制造业的发展，自动流水线技术的应用日益普遍并不断得到发展和提高，传统的线性展开式分步作业自动流水线占地空间大、节奏慢，逐步被高密集度、高可靠性的自动回转台流水线取代。本文所述设计的电池片高速旋转传输台应用于光伏电池片流水线生产领域，其设计目的是为了提高生产自动流水线空间的紧密度，实现生产质量和生产速度的双重突破。

1 电池片划片线性分步作业流水线常见问题

早期电池片划片传输技术采用传送链与机械手作业相结合的线性展开式分步流水作业模式（如图1所示），经长期运行验证，暴露出很多问题，首先是传输节奏较慢，提升空间较小，每小时最多可处理约2 000片电池片；其次是电池片易被甩出，碎片率达2%以上；第三是传送链摆动，划片加工精度不稳定，尺寸精度超过±0.5 mm。随着太阳能光伏产业规模的扩大、集中度的提高和质量要求的提升，回转台式流水作业技术进入到了光伏生产领域并迅速得到推广应用。

图1 传统电池硅片的传输方式

2 高速旋转传输台的设计指标及方案

2.1 高速旋转传输台的设计指标

高速旋转传输台是电池片自动划片环节的核心部件，传输台必须配合机械手完成上料定位、检测、划片和掰片4项动作，在旋转传输台设计性能上必须满足以下3项指标：传输产能为3 000片/h以上（完成每片传输动作时间少于1.2 s），碎片率小于0.5%，划片加工精度达±0.2 mm。

2.2 高速旋转传输台方案设计

为保障旋转传输台节奏快，可靠性高，其总体方案设计如下：旋转传输台采用直驱式伺服电机提供动力，总体采用轴中空T形结构。旋转传输台由4个电池片承载爪、1个工作台台芯、1台伺服驱动电机、4个真空发生器等部件组成。工作台台芯直接固定于伺服电机转子面板上，伺服电机按控制系统给定的指令直接驱动旋转传输台高速运行。电池片承载片固定于工作台台芯四方，承载爪承载硅片并配合处理相关作业。传输台整体设计成对称式，转动轴采用中空结构，减少转动惯量，提升固有频率，保障高速平稳旋转。转动轴的中空空间用于穿插压缩空气管路。电池硅片承载爪表面设计真空吸盘，提高电池片高速旋转中的定位精度。为避免4个工序作业真空吸附相互干扰，每个承载爪单独采用一套真空发生器。高速旋转传输台总体结构如图2所示。

图2 旋转传输台

3 高速旋转传输台的部件设计与选型

3.1 工作台台芯和电池片承载爪的设计

为了实现旋转传输台运行平稳、节能、空间集约及转动惯量匹配，传输台除伺服电机以外的部件整体设计成了圆盘结构，工作台台芯在4个方向均匀配置4个电池片承载爪，台芯和承载爪均进行了对称化设计，材料的选型均采用强度和刚度较高的Q690钢材，材料厚度为20 mm。台芯尺寸（300 mm）略大于伺服电机直径（260 mm），通过6个M8螺钉均匀固定于电机转子面板上。工作台台芯四方采用5个M6螺钉固定承载爪，工作台台芯如图3所示。

图3 工作台台芯

电池片承载爪均匀安装于工作台台芯四方，根据承载爪与工作台台芯搭接长度以及承载爪需适配182 mm、210 mm电池片高速旋转运行，其宽度和长度分别设计为130 mm和235 mm（电池片承载爪设计如图4所示），承载爪上布置有6个直径20 mm硅橡胶负压吸盘，吸盘通过负压吸附电池片，保障电池片在高速旋转时不产生位移，实现电池片划片时的位置同一性，确保实现±0.2 mm尺寸精度。

图4 电池硅片承载爪

3.2 真空发生器的选型

真空发生器工作原理如图5所示。利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度[1]。这种通过压缩空气（压力为400～600 kPa）产生真空的方式能发生的最大真空度为-100.8 kPa。真空发生器的流量计算：

图5 真空发生器原理示意图

其中，S为真空流量，V为吸盘入口处到真空发生器的总体积，T为到达最大真空度的时间，P1为初始大气压强，P2为最大真空度。由于真空吸盘吸附的是电池片，每片硅片质量约15 g，共6个吸盘垂直向上吸附定位；真空压力为2 kPa能够满足定位应用，从吸盘到真空发生器的体积V=0.023 6 L，根据运行节奏为1.2 s，硅片放置于承载爪上0.3 s（0.005 min）需达到最大真空度，初始大气压为100 kPa，根据式（1）计算出真空流量S为18.47 L/min；余量系数取值1.15，真空流量取值21.2 L/min，真空发生器选用FESTO的OVEL-10-H型号（外形如图6所示），其最大真空流量为21 L/min，工作压力为200～600 kPa，符合设计要求。

图6 真空发生器选型

3.3 驱动电机的选型

考虑到系统操控性，驱动电机主要从步进电机和伺服电机中选择，由于伺服电机在角度控制精度、低频特性、矩频特性、过载能力等性能方面整体上具有优势，本方案驱动电机选择伺服电机。伺服电机的转动惯量、转速及连续输出转矩（功率）匹配计算如下。

3.3.1 伺服电机转动惯量的计算

为使伺服电机具有快速响应能力，必须使伺服电机转动惯量与负载转动惯量进行匹配，通常是使归算到电动机轴上的负载惯量与电动机的惯量相匹配（负载惯量等于电机惯量，即惯量比为1），系统可实现最佳的功率传输，并能得到最大的负载加速度，一般在电机惯量JM与负载惯量JL(折算至电动机轴)进行下列匹配关系：

另外，关于负载相关的转动惯量计算，即圆柱体的转动惯量计算：

其中，R为圆柱体半径，M为圆柱体质量。

细杆的转动惯量计算（当回转轴过杆的端点并垂直于杆时）：

其中，m为杆的质量，L为杆的长度。

本设计负载转动惯量计算：负载的转动惯量由三部分组成，第一部分是均匀安装于台芯表面中心位置的直径180 mm高度为65 mm圆柱空间内的圆盖、真空发生器及其附属管路器件，其质量和为2.55 kg，依据式（3）进行近似估算，其转动惯量计算为0.010 3㎏·m2；第二部分为台芯部分（厚度20 mm，密度为7 850㎏/m3），依据式（3）进行近似估算，其转动惯量为0.108 9㎏·m2，第三部分为4个电池硅片承载爪，依据式（4）进行近似估算，其转动惯量为0.055 6㎏·m2，旋转传输台合计总负载转动惯量为0.174 8㎏·m2，依据式（2），本设计所选伺服电机转子转动惯量适用范围为0.174 8～0.699 2㎏·m2。

3.3.2 伺服电机的转速和输出转矩的计算

确定伺服电机转速主要与工序处理速度等指标相关，伺服电机输出转矩与转速和总转动惯量相关，电机功率与转矩成正比，伺服电机最大加速度为：

其中，Tp为伺服电机转矩，Jm为伺服电机惯量，JL为负载惯量。

伺服电机功率计算式为：

其中，P为功率，T为转矩，n为每分钟转速。伺服电机在正常应用环境下，包括加速、匀速、减速、静止4个阶段（如图7所示），高速旋转传输台每小时电池片设计加工产量为3 000片，所以其加工节奏是1.2 s/片，每1.2 s驱动电机需要启动停止一次并旋转90°，由于静止状态是配合机械手处理相应工序，静止时间由外部条件决定，外部机械手要求旋转传输台静止时间达0.95 s，所以，剩余0.25 s时间为加速时间、匀速时间及减速时间之和，本设计的伺服电机采用电磁制动器强制制动，电磁制动力矩选200 N·m，理想状态下，伺服电机转动惯量与负载转动惯量相匹配时，伺服电机转动惯量与负载转动惯量相等，所以，依据式（5）计算伺服电机减速转动加速度为-65 555°/s2，相对于200 r/min以下的伺服电机，减速时间最多为2 ms以内，剩余0.23 s时间为加速时间和匀速时间之和，在最省电情况下，0.23 s全部作为加速时间，刚好加速到匀速并且伺服电机刚化旋转90°，匀速时间为0，计算出伺服电机转动加速度为3 402°/s2，并确定伺服电机的旋转速度最小为130.4 r/min，即在该速度以上能满足设计使用要求，由此依据式（5）计算出电机有效转矩为10.38 N·m以上，伺服电机连续转矩必须在有效转矩基础加上转轴摩擦转矩。

图7 电机运行时序图

3.3.3 伺服电机型号的确定

通过对多厂家电机型号、性能比较，喜开理公司生产的AX4075直驱伺服电机转速140 r/min，电机转动惯量为0.195㎏·m2，连续输出转矩为25 N·m，输出轴摩擦转矩为10 N·m，电机有效连续输出转矩为15 N·m，功率375 W，指标在计算结果基础上均留有10%余量，总体满足设计计算要求，确定为应用型号。

4 高速旋转传输台的实际应用效果

根据以上设计，生产线对高速旋转传输台进行了升级改造（如图8所示），通过3天的试生产调试后，采用了同批次170μm厚度、长宽为182 mm×182 mm单晶硅片电池20 000片在新旧两条生产线进行了比对划片生产测试（见表1），每条生产线10 000流片量，在同等型号及批次单晶硅电池片原料供应情况下，生产速率和生产碎片损耗有明显差异，高速旋转传输台工艺的平均碎片率为0.39%，比线性展开式分步流水线的平均碎片率2.72%明显要低，同时高速旋转传输台流水线的每小时产能达3 141片，比预期设计的每小时3 000片要高，电池片切割尺寸精度明显提高，达到±0.15 mm；产能、碎片率及划片尺寸精度均达到设计预期要求，同时产能指标略有盈余，主要得益于电机转速及电机转速加速度选型的裕量；高速旋转传输台在调试初期所解决事项较多，调试结束后，整体运行平稳，达到了预期设计效果。

表1 对比测试表

图8 高速旋转传输台

5 结 论

本文主要研究了高速旋转传输台的原理及其机械结构设计，针对重要部件进行了AUTOCAD制图，并就重要外购器件进行计算选型；高速旋转传输台设计的主要难点在于直驱伺服电机驱动技术、刹车定位技术、真空发生器应用技术等。