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硅棒磨抛一体机的设计与应用

2021/3/31    来源:互联网    作者:李林  戴鑫辉  段景波  赵晓  徐公志  乔石      
关键字:光伏行业  硅棒磨抛  专用机床  
本文介绍了硅棒磨抛精度要求和机床总体设计方案,针对机床的上下料组件、进给滑台、对中机构、磨削组件等关键部件做了结构和功能介绍,并介绍了磨抛一体机的工作原理及该机床的优势,为光伏行业的硅棒加工机床的设计提供参考。

0 引言

    由于光伏发电具有无污染、无能源枯竭危险、不受地域限制等优势,使得近年来光伏行业发展迅速,光伏发电行业的相关技术也取得一定发展。

    光伏行业中,一般将单晶硅棒或多晶硅棒经过开方、磨抛、切片等加工工序,最终形成硅片。其中磨抛是在开方后对硅棒沿长度方向的表面和棱进行磨削和抛光,使得硅棒的尺寸公差、形状公差、表面粗糙度达到一定标准,以进行后续的切片环节。传统光伏磨抛一体机因加工效率低,加工精度低,稳定性差等缺点不能满足光伏行业的快速发展需求。笔者针对现有磨抛一体机存在的问题,提出一种新的磨抛一体机设计方案,通过对磨抛一体机的实际生产和应用,验证了此设计方案的可行性与先进性,可同时保证加工效率、加工精度和稳定性,推动了国内光伏行业磨抛技术的发展,并为专用机床的设计提供参考。

1 硅棒磨抛后的精度要求

    磨抛过程中,对硅棒的4个棱进行摆圆弧磨削,对硅棒的4个平面进行平面磨抛,最终将硅棒加工成带有4个圆弧的圆弧棒。

    加工边距公差0.1mm,加工直径公差0.1mm,四平面相邻平面夹角90°±0.08°,平面粗糙度Ra≤0.1μm,圆弧面粗糙度Ra≤0.2μm;此外,对硅棒的表面要求无面点、亮点、色差等缺陷。

2 磨抛一体机总体方案设计

    如图1所示,机床整体呈“中”字型布局。前端为上下料区域,中部为磨削区域,后部为排污水区域,机床包含底座组件、立柱框架组件、上下料组件、对中机构、进给滑台机构、磨削组件、探针检测组件,另外机床还包括润滑系统、水路系统、防护系统等部分。

磨抛一体机总体布局

图1 磨抛一体机总体布局

1.立柱框架组件2.对中机构3.底座组件4.上下料支撑组件5.下料组件
6.进给滑台7.上料组件8.探针检测组件9.磨削组件10.上下料组件

3 关键部件设计

    3.1 上下料部件

    上下料部件包含上下料支撑组件、上料组件、下料组件。

    上下料支撑组件用于支撑和驱动上料组件和下料组件。上下料支撑组件安装于底座上,其包含两套模组,分别用于驱动上料组件和下料组件沿模组平行方向移动,以进行硅棒的上下料。上下料组件结构如图2所示。

上下料组件结构

图2 上下料组件结构

    上料组件安装在上下支撑组件右侧。将硅棒放置于抬升组件上,通过电缸伸缩来调节抬升组件的高度,间接调整硅棒竖直方向的位置;加紧板在气缸作用下夹紧并调正硅棒。安装在加紧板底部的探针会在夹紧时顶住硅棒,根据探针压缩量计算出水平方向硅棒的宽度,确定硅棒水平的中心位置。上料组件结构如图3所示。

上料组件结构

图3 上料组件结构

1.气缸2.电缸3.抬升组件

    下料组件安装于上下料支撑组件另一侧,在模组驱动下可前后运动;下料组件包含气缸和承接板,承接板在气缸作用下向上运动承接磨削完的硅棒。

    3.2 对中机构

对中机构安装于立柱框架上料侧,用于对硅棒对中调整,测量硅棒长度和高度。对中机构通过电机驱动齿轮齿条运动,驱动与齿条相连接的对中板相向运动,加紧并调整硅棒至对中机构的中心位置,并根据夹紧板的加紧位置测量得到硅棒的长度尺寸:同时,对中机构背部安装有气缸探针,可用于检测硅棒的高度,并确定硅棒竖直方向的中心位置。结合上料组件测得的硅棒水平方向的中心位置,可确定硅棒磨削的中心,以此中心为基准,硅棒进行镜像尺寸的磨削。
对中机构结构如图4所示。

对中机构

图4 对中机构

1.齿轮齿条机构2.探针

    3.3 进给滑台

    进给滑台安装于立柱框架组件的导轨上,进给滑台在滚珠丝杠机构驱动下,沿立柱框架长度方向前后移动。

    进给滑台含有动夹头和定夹头,定夹头安装固定在滑台体壳上,动夹头可在进给滑台内部的滚珠丝杠机构驱动下前后移动,改变动夹头和定夹头之间的距离,用于夹持不同长度的硅棒。

    动夹头和定夹头分别有一个旋转电机,可在加紧硅棒后将硅棒以一定弧度摆动,实现对硅棒的圆弧磨抛。进给滑台结构如图5所示。

进给滑台

图5 进给滑台

1.滚珠丝杠2.动夹头3.滑台体壳4.定夹头

    3.4 磨削组件

    本机床含有两套探针检测组件和四套磨削组件。其中四套磨削组件结构相同,两套安装粗磨砂轮后作为粗磨组件,两套安装精磨砂轮后作为精磨组件,粗磨组件安装于底座组件前端,精磨组件安装于底座组件后端:此布局方式可保证同时对硅棒的两个面进行磨抛,提高加工效率。两套探针检测组件安装在粗磨组件的安装座上,探针在气缸驱动下可前后伸缩,用于对硅棒进行尺寸检测。

    下面就一套磨削组件进行结构介绍。磨削组件布局如图6所示,单套磨削组件结构如图7所示。

磨削组件布局

图6 磨削组件布局

1.粗磨组件2.探针检测组件3.精磨组件

单套磨削组件

图7 单套磨削组件

1.垂直运动组件2.砂轮3.水平运动组件4.旋转组件

    单套磨削组件包含垂直运动组件、水平运动组件和旋转组件。

    旋转组件:旋转电机通过联轴器与轴承箱相连,带动与轴承箱端部相连的杯型砂轮进行旋转,轴承箱安装在滑动支座内部。

    垂直运动组件:气缸固定在进给基座上且其伸缩轴和轴承箱外壳相连,旋转组件随气缸伸缩可沿竖直导轨方向到达上下两个极限位置。硅棒进行面的磨削时,气缸伸缩轴收缩,旋转组件位置上升,使用杯型砂轮的中间位置进行磨削:进行摆网弧磨削时,气缸伸缩轴伸长,旋转组件位置下降,使用杯型砂轮的上边缘位置进行磨削。

    水平运动组件:硅棒每次磨削时砂轮所处的水平位置不同,电机通过驱动滚珠丝杠机构使进给基座沿水平导轨方向前后运动。由此可实现单次磨削吃刀量的调整,并根据相对称两砂轮的距离,决定硅棒的最终磨削尺寸。

    探针检测组件用于测量硅棒的面距尺寸和棱距尺寸,实际磨削工作时,在粗磨削前,探针检测组件测量未磨削硅棒尺寸,自动计算单次粗磨量和粗磨次数并保留精磨余量;粗磨削结束后,探针检测硅棒尺寸,计算单次精磨量和精磨次数,精磨削结束后,探针检测硅棒尺寸。

4 其他部件

    4.1 立柱框架组件

    立柱框架采用8mm厚方管焊接而成,进行一次退火处理,消除焊接应力。立柱框架顶部安装有导轨滑块,进给滑台沿立柱框架的导轨方向运动。

    4.2 底座组件

    底座采用HT250材料铸造,两次退火处理,消除绝大部分铸造内应力。底座组件设有立柱框架组件和磨削组件的安装面,且底座组件尾部设有排水口。

    4.3 润滑系统

    设备配有自动润滑系统,润滑泵对机床各润滑点间歇性供油润滑,润滑系统可实现油压调节、堵塞报警,润滑周期和单次注油量由系统控制。

    4.4 水路系统

    采用水泵加压供水,在粗磨组件和精磨组件砂轮磨削处设有出水口,用于对砂轮冷却降温,同时冲洗磨削时产生的硅粉,冲屑水沿机床底座上的排水口排出并集中处理。

    4.5 磨抛一体机防护

    机床采用半封闭式防护,仅保留上下料通道和滑台进入磨削区域的通道,保证生产人员的安全。

5 磨抛一体机工作过程及优势

    该磨抛一体机的工作过程如下:自动化联机上料,将硅棒送至上料组件的硅棒放置面;上料组件夹紧硅棒同时完成硅棒水平方向宽度测量,并运送硅棒至对中机构位置;对中机构夹紧硅棒至中心位置,同时测量出硅棒长度和高度;根据已有的硅棒高度和宽度尺寸,上料组件运送硅棒至进给夹持位置;进给滑台夹持硅棒并送至磨削区域,磨削组件对硅棒进行粗磨和精磨,磨削过程包含尺寸检测;下料组件运行至落料区,进给滑台退回至原位置并将硅棒放到下料台组件;磨削过程结束。

    本机床的设计和研究,可实现从上料、磨削、检测、下料的全自动化运行,并且容易实现系列设备的联机自动化;同时对硅棒的两个面或棱进行磨抛,兼顾了磨削效率和磨抛精度。经实际磨抛试验,在满足磨抛精度的前提下,可将680mm长硅棒的磨抛时间控制在30min内,磨抛效率和精度得到业界认可。磨抛一体机设备技术水平处于国内前列。

6 结语

    该磨抛一体机的设计,提高了国内硅棒磨抛技术水平,一定程度上推动了专用机床技术的发展。但要认识到,光伏行业硅棒的磨抛加工受前道开方精度、砂轮寿命、程序算法等多种因素影响,涉及机械、电气控制、材料等多个领域,光伏行业硅棒磨抛技术的进一步发展离不开多领域的共同进步,任重道远。

责任编辑:程玥
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