剌穎乾

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

在太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)過(guò)程中，擴(kuò)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(huì)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(guò)化學(xué)腐蝕的方法有選擇性地去除擴(kuò)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?？涛g工藝是利用HF和HNO3的混合酸液對(duì)擴(kuò)散工藝后硅片下表面和邊緣進(jìn)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?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：

當(dāng)電池片經(jīng)過(guò)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(shí)電池片表面刻蝕寬度不超過(guò)2 mm，刻蝕邊緣絕緣電阻大于1 kΩ[1]。對(duì)于刻蝕工藝程度可以通過(guò)電池片減薄量來(lái)衡量（刻蝕前質(zhì)量減去刻蝕后質(zhì)量），之前的測(cè)量是人工取電池片在電子秤測(cè)量，手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算減薄量，然后通過(guò)匯總的數(shù)據(jù)分析工藝指標(biāo)，此方法耗費(fèi)人力、時(shí)間，對(duì)于自動(dòng)化工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)成本高、不智能。

本文基于全自動(dòng)上下料機(jī)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)在上料機(jī)和下料機(jī)分別稱(chēng)重的方式，測(cè)量刻蝕工藝前后硅片的質(zhì)量并匯總計(jì)算數(shù)據(jù)得到電池片的減薄量，整個(gè)稱(chēng)重過(guò)程完全自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)，同時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別刻蝕工藝的料道，可以單獨(dú)檢測(cè)某一刻蝕工序料道的刻蝕質(zhì)量，測(cè)量后的數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總并計(jì)算，可以有效提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步完善刻蝕工藝。

1 全自動(dòng)電池片上下料機(jī)

全自動(dòng)電池片上下料機(jī)應(yīng)用于刻蝕工藝前后，上料機(jī)從上道工序接收裝滿(mǎn)電池片的花籃，然后自動(dòng)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(jī)，下料機(jī)自動(dòng)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(jìn)花籃中，完成上下料機(jī)系統(tǒng)電池片傳輸?shù)娜蝿?wù)，整個(gè)過(guò)程中上下料花籃都采用AGV小車(chē)自動(dòng)裝卸，大大降低人工強(qiáng)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(shí)全自動(dòng)硅片上料機(jī)配備視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)上道工序來(lái)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(jìn)一步檢測(cè)刻蝕工藝的好壞，全自動(dòng)電池片上下料機(jī)配備自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)工藝前后電池片的減薄量，并能夠?qū)⒚看螠y(cè)量的數(shù)據(jù)做成報(bào)表，方便工藝人員統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善工藝，圖1是自動(dòng)電池片上下料機(jī)示意圖。

圖1 自動(dòng)上下料機(jī)示意圖

2 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)是基于全自動(dòng)電池片上下料機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)減薄量的測(cè)量，圖2為自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)流程圖。

圖2 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)流程

稱(chēng)重系統(tǒng)主要由上料機(jī)、下料機(jī)、稱(chēng)重臺(tái)、抓片機(jī)構(gòu)、工控機(jī)、顯示屏構(gòu)成。自動(dòng)上下料機(jī)運(yùn)行是通過(guò)PLC控制，正常生產(chǎn)時(shí)上料機(jī)通過(guò)傳送機(jī)構(gòu)將電池片傳送至料道，然后將電池片發(fā)至工藝機(jī)臺(tái)做工藝處理。當(dāng)需要進(jìn)行稱(chēng)重操作時(shí)，PLC自動(dòng)控制傳輸機(jī)構(gòu)傳送電池片至上料稱(chēng)取位置，抓手自動(dòng)抓取電池片進(jìn)行稱(chēng)重，稱(chēng)重完成后PLC自動(dòng)控制電池片進(jìn)行排片，針對(duì)不同的料道會(huì)有不同的排片形式，目的是下料可通過(guò)不同的排片方式自動(dòng)識(shí)別出稱(chēng)重片在哪一個(gè)通道做工藝。上料機(jī)稱(chēng)重完成后，會(huì)將相應(yīng)的稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)包括料道信息、上料電池片稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)、稱(chēng)重完成信號(hào)通過(guò)網(wǎng)口modbus協(xié)議傳輸?shù)较铝螾LC。經(jīng)過(guò)刻蝕工藝后的稱(chēng)重片到下料機(jī)后，能夠通過(guò)傳感器識(shí)別并挑出稱(chēng)重片到稱(chēng)重臺(tái)進(jìn)行第二次稱(chēng)重操作，待稱(chēng)重完成后下料PLC將兩次稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)焦た貦C(jī)，顯示屏顯示本次上下料稱(chēng)重的數(shù)據(jù)，同時(shí)如有需要可以導(dǎo)出所有稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)作為報(bào)表，通過(guò)分析相應(yīng)的減薄量來(lái)改善刻蝕工藝。

2.2 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上料稱(chēng)重系統(tǒng)硬件主要包括稱(chēng)重臺(tái)機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重吸盤(pán)機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重片氣缸取放機(jī)構(gòu)、高精度電子秤及相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換元件；下料稱(chēng)重系統(tǒng)硬件包括稱(chēng)重臺(tái)機(jī)構(gòu)、稱(chēng)重吸盤(pán)機(jī)構(gòu)、電機(jī)取放機(jī)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(jī)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(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上下料機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于刻蝕工藝機(jī)臺(tái)有5個(gè)單獨(dú)料道來(lái)做工藝，且每批電池片數(shù)量達(dá)400余片需從上料機(jī)進(jìn)入工藝機(jī)臺(tái)，完成工藝后傳送至下料機(jī)，因此下料機(jī)要正確讀取出上料稱(chēng)重完成的電池片，并且正確抓取出后完成下料稱(chēng)重操作，同時(shí)要完成每一個(gè)料道單獨(dú)測(cè)量刻蝕工藝減薄量的要求，下料機(jī)就必須正確識(shí)別上料機(jī)發(fā)送的電池片是400余片電池片中的哪一片。要實(shí)現(xiàn)這一功能，本文通過(guò)定義稱(chēng)重片排片布局的方式來(lái)識(shí)別上次稱(chēng)重的電池片，即每一次、每一道稱(chēng)重片都通過(guò)不同的排片方式來(lái)表示。稱(chēng)重排片是通過(guò)單道屏蔽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)電池片在料道1時(shí)，屏蔽2、3、4道，1、5道有料；(2)電池片在料道2時(shí)，屏蔽3、4道，1、2、5道有料；(3)電池片在料道3時(shí)，屏蔽2、4道，1、3、5道有料；(4)電池片在料道4時(shí)，屏蔽2、3道，1、4、5道有料；(5)電池片在料道5時(shí)，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(shí)都是5個(gè)料道滿(mǎn)片，相反如果下料傳感器識(shí)別到如上所述的排片形式時(shí)，即可正確挑選出在上料進(jìn)行稱(chēng)重操作的電池片，然后下料PLC控制硅片傳輸機(jī)構(gòu)將該電池片傳送至抓取位置，抓手抓取該電池片進(jìn)行二次稱(chēng)重，從而得到該電池片的減薄量數(shù)據(jù)。

表1 稱(chēng)重片排片布局

按照工藝要求，需要定時(shí)檢測(cè)工藝機(jī)臺(tái)電池片的減薄量，通過(guò)減薄量數(shù)據(jù)來(lái)及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求設(shè)置測(cè)量時(shí)間間隔，當(dāng)啟用自動(dòng)稱(chēng)重后，上料機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)操作，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為零時(shí)上料機(jī)自動(dòng)開(kāi)始稱(chēng)重流程，上料稱(chēng)重完成后會(huì)根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的料道進(jìn)行相應(yīng)的排片操作，同時(shí)將稱(chēng)重相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至下料PLC，經(jīng)過(guò)刻蝕工藝后工藝機(jī)臺(tái)將電池片傳送至下料，下料機(jī)在收料入口處有5個(gè)漫反射光電傳感器，通過(guò)傳感器識(shí)別出對(duì)應(yīng)的排片形式，從而確定稱(chēng)重片所在料道，下料經(jīng)過(guò)電池片傳送機(jī)構(gòu)傳送至稱(chēng)重位，經(jīng)過(guò)二次稱(chēng)重后得到下料稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，完成整個(gè)稱(chēng)重流程，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)做處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口形式傳送至工控機(jī)。

上料機(jī)稱(chēng)重具體流程：

（1）稱(chēng)重倒計(jì)時(shí)結(jié)束，上料機(jī)在電池片換向處停止向側(cè)傳機(jī)構(gòu)送出電池片，此時(shí)清除側(cè)傳機(jī)構(gòu)皮帶位置的所有電池片，電池片的有無(wú)通過(guò)接近電容傳感器檢測(cè)；與此同時(shí)電子秤進(jìn)行置零操作后打開(kāi)秤蓋等待稱(chēng)取電池片，同步進(jìn)行提高機(jī)臺(tái)工作效率；

（2）待側(cè)傳機(jī)構(gòu)無(wú)片時(shí)，送稱(chēng)重片到取片位，稱(chēng)重吸盤(pán)抓手吸取硅片后到稱(chēng)片位放片，然后抓手離開(kāi)電子秤，關(guān)閉秤蓋開(kāi)始稱(chēng)片操作，關(guān)閉秤蓋是為了稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的高精確性；與此同時(shí)機(jī)臺(tái)正常送片等待稱(chēng)片完成信號(hào)，避免產(chǎn)量損失；

（3）稱(chēng)片完成后進(jìn)行排稱(chēng)重片操作。根據(jù)不同的排片方式進(jìn)行不同的排片操作：當(dāng)稱(chēng)重片在A(yíng)1道時(shí)，直接取稱(chēng)重片到取片位，利用單道屏蔽功能空出3片，然后在A(yíng)5位置排1片，完成第一道的稱(chēng)重排片操作；當(dāng)稱(chēng)重片在A(yíng)2、A3、A4道時(shí)，換向先送出1片到頂片機(jī)構(gòu)，之后根據(jù)相應(yīng)的單道屏蔽和取稱(chēng)重片步驟，完成2、3、4道的稱(chēng)重排片操作；當(dāng)稱(chēng)重片在A(yíng)5道時(shí)，換向先送出3片硅片到頂片機(jī)構(gòu)，之后單道屏蔽空出1片，然后取稱(chēng)重片到取片位，完成第五道的稱(chēng)重排片操作。

（4）上料稱(chēng)重完成后，上料PLC會(huì)把稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)、稱(chēng)重完成信號(hào)（1為完成，0為未完成）、稱(chēng)重道數(shù)信息（對(duì)應(yīng)A1～A5）傳送給下料PLC，人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖4 上料稱(chēng)重人機(jī)交互界面

下料機(jī)稱(chēng)重具體流程：

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

（2）上料稱(chēng)重完成后，稱(chēng)重排片會(huì)經(jīng)過(guò)刻蝕工藝傳送到下料，下料通過(guò)頂片位的漫反射傳感器識(shí)別稱(chēng)重排片，根據(jù)上料不同的稱(chēng)重排片布局，下料進(jìn)行不同的取稱(chēng)重片操作。

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

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

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

圖5 下料稱(chēng)重人機(jī)交互界面

3 稱(chēng)重系統(tǒng)在全自動(dòng)上下料機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

將稱(chēng)重的間隔時(shí)間設(shè)置為30 min，設(shè)置好工藝要求減薄量上下限，打開(kāi)稱(chēng)重開(kāi)關(guān)即可開(kāi)始自動(dòng)稱(chēng)重，并作周期循環(huán)。圖6為稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)報(bào)表，顯示【合格】說(shuō)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(shuō)明刻蝕工藝后硅片的減薄量不在工藝要求范圍內(nèi)，針對(duì)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(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)不會(huì)人工觸碰電池片，相比較人工稱(chēng)重其電池片不良率下降了5.62%；（2）人工稱(chēng)重時(shí)需要暫停運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備，然后人工放置稱(chēng)重片，這期間設(shè)備暫停會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能損失，相比較人工稱(chēng)重，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的應(yīng)用避免了0.37%的產(chǎn)能損失。（3）人工稱(chēng)重由于人工觸碰電池片、稱(chēng)重需另外單獨(dú)測(cè)量等因素，會(huì)造成測(cè)量誤差，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確率在99.8%。

圖6 稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)報(bào)表

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)在全自動(dòng)上下料機(jī)的應(yīng)用大幅度提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，減少人力資源的浪費(fèi)，同時(shí)自動(dòng)稱(chēng)重的實(shí)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(chǎng)應(yīng)用表明：自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了全自動(dòng)上下料機(jī)功能集成性，已經(jīng)成為一種成熟的自動(dòng)控制系統(tǒng)。