硅片花篮跑道PVD传输系统设计.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 97 硅片花篮跑道 PVD 传输系统设计 袁跃梅 徐鑫洋 南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226004 摘要：摘要：硅片花篮跑道 pvd 传输设备是在硅片加工生产中负责硅片、花篮传输和定位的关键设备。本设计从硅片花篮跑道 pvd 传输设备传输效率低的问题出发，设计一种硅片花篮运输跑道 pvd 传输系统；针对花篮规整时的磨损的问题，研究底座载荷与气流关系。系统以 SIMATIC S7-1200 PLC 为控制核心，通过嵌入式一体化触摸屏实现人机交互，利用光电传感器和磁电传感器进行位置检测，完成硅片和花篮的精准定位。通过调试且实际运行，表明硅片花篮运输跑道 pvd 传输系统可实现自动控制，根据实验数据得出夹爪气缸载荷为 216.2N，杆外径为 16.3mm，缸筒内径为 2.852mm。关键词：关键词：硅片花篮跑道；夹爪气缸；PLC 控制；载荷 中图分类号：中图分类号：V211 随着经济结构的发展，社会人口的增长和技术创新的进步，化石能源的使用量不断增大，清洁能源的使用引起了社会的广泛关注，其中光伏发电应用系统是清洁能源革命中的热点1。异质结电池在光伏领域转换效率高，拓展潜力大，制造流程简单并且降本潜力大，切合了光伏生产发展的规律2。硅片花篮跑道 pvd传输系统是异质结电池中不可或缺的一部分，本设计主要研究硅片花篮跑道 pvd 传输系统在不需要人工的情况下，能自动完成硅片和花篮在传送带的运送，包括插片、旋转、换位等动作。通过西门子 PLC 完成跑道运动的控制，结合光电、磁电传感器、阻挡气缸、夹爪气缸保证运动控制精度，完成控制系统对硅片的急停、检测、顺序进入花篮等功能，增加硅片和花篮的运动安全防护等级，提升机台运行的平稳性、简易性，同时研究夹爪气缸的几何机构，完成底座的载荷建模，减少夹爪气缸在硅片花篮跑道 pvd 传输设备的误差，提高光伏组件质量。1 硅片花篮跑道 pvd 传输系统总体设计 1.1 结构设计 在纯自动化产线中，硅片放到产线初始放料区，产线工人在触摸屏上按下启动按钮即可完成硅片和花篮的传送任务。放料区的硅片在硅片运输跑道上，结合光电传感器、磁电传感器，通过运输台、夹持组件、阻挡气缸完成对硅片的急停、检测、插片，保证硅片的传输及规律顺序进入花篮的功能。系统通过夹爪气缸、阻挡气缸协调工作，完成花篮的规整、夹紧、旋转等，实现传输设备的横移和升降的往复运动，同时在指定位置采集运动数据，其平面结构图如图1所示。图 1 平面结构图 本设计以硅片花篮跑道 pvd 传输系统的传送工序为研究对象，硅片传输系统使硅片在运输跑道上使用夹持组件进行插片，对花篮、硅片、阻挡气缸、夹爪气缸的位置进行实时监测。花篮传输系统使花篮在运输跑道上进行传输，通过气压驱动和电机驱动，完成花篮运输、规整，夹紧、翻转及横移模组和升降模组坦克链的运动，花篮运输跑道结构设计图如图2所示，在传送皮带的两侧安装定位挡板或挡条，使花篮一直在规定的直线方向上运动，同时通过张紧结构对传送皮带的张紧度进行调整，增加系统运动安全防护等级，中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 98 提升机台运行的稳定性、简易性。花篮花篮挡板挡板传送带传送带加工件加工件下压件下压件机构安装架机构安装架滚轮滚轮支撑件支撑件传感器传感器电机电机 图 2 花篮运输跑道结构设计图 1.2 控制器和驱动方式选择 由于 PLC 控制器拥有较好的可拓展性能，可支持硅片花篮跑道 pvd 传输设备科技发展快且设备规模巨大的优势，同时具有防干扰性能优、模块化有更完善的技术面作为指导，便利简单，开发、设计周期短等优点，本设计选择 PLC 为控制核心。根据硅片花篮跑道 pvd 传输系统的工艺流程和运动特点，本设计通过气压驱动的方式完成跑道产线中花篮与硅片的止停，横移、升降、往返运动通过电机带动传送带实现，规整部分的夹紧松开运动通过电机带动钣金件实现。花篮传输设备中主动轮的运动须通过驱动电机来控制传输系统，减速机对电机进行减速后再通过齿轮推动同步带轮后驱动跑道上的主动轮3。2 硅片花篮跑道 pvd 传输系统硬件设计 2.1 硬件结构分析 图 3 所示为硅片花篮跑道 pvd 传输系统的硬件组成框图图，整个系统由 PLC、人机交互界面、伺服系统、传感器系统等组成。传感器系统主要由光电传感器、磁电传感器组成，完成对硅片和花篮的位置信号的测量，气缸的正负限位为被测量位，被测量位在导体中感生的磁通量发生变化，转换成输出信号变化，用于检测气缸内的合力。伺服系统可以接收和处理由 PLC传输的脉冲信号，完成硅片进料传送、花篮进料传送及成品出料传送控制的稳定运行。硅片花篮跑道 pvd传输系统中人机交互是异质结电池控制系统的关键构成部分，负责硅片、花篮传输现场中人和传输系统的信息交互，通过触摸屏+PLC 的控制方式，使其能实现数据采集、硅片传输、故障处理、人机交互等功能。PLC伺服系统传送带末端执行器气缸系统传感器系统人机交互界面 图 3 硬件组成框图 2.2 部分器件选取 1）传感器系统。硅片花篮跑道 pvd 传输系统需要传感器的监测配合，传输过程对多种信号进行观测、控制。在多个、多种传感器之间互相配合可保障硅片花篮跑道 pvd 传输系统的安全性，有效地提高产线的产能。光电传感器发射端通过光线照射于接收端判断硅片及花篮的位置情况，通过磁电传感器测量气缸的正负限位，在导体中感生的磁通量发生变化，转换成输出信号变化，用于检测气缸内的合力。图 4 主电路图 2）气缸系统。气缸系统是由阻挡气缸和抓夹气缸组成，阻挡气缸关键用于跑道产线中花篮与硅片的止停，是针对硅片花篮跑道 pvd 传输系统而研发的工业产物，能简便、牢靠地控制产线生产的传输及阻顿。夹爪气缸在工业生产中也称规整气缸，它是花篮搬运和夹持组件的装置，夹持器件中包括固定板，固定板的两端安装夹爪气缸，夹爪气缸驱动的夹板，和夹板中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 99 固定处连接的固定件，固定板的两头分别有装置横移方向延伸的直线导轨，其中直线导轨滑动导向块，与夹板的固定件和导向块固定相连接，具有夹持花篮的作用。3）人机交互系统。硅片花篮跑道 pvd 传输系统采用 PLC 控制系统，而 PLC 控制系统是硅片花篮跑道 pvd传输系统的控制核心装备，人机交互系统需要与现场传输设备相互协调，具备较高兼容性以提高整个传输 系 统 的 可 用 性，故 本 设 计 选 用 西 门 子6AG1123-2GB03-2AX0 触摸屏，面向 I/O 设计，有强大的拓展功能，十分便于输入与输出功能模板的系统拓展，拥有较强的境况适应性能、较优的磁电兼容性、图 5 控制系统主程序流程图 开始手/自动切换急停花篮前后电机回取料位花篮上下电机反转花篮前后电机取花蓝位感应花篮上下电机回取料位花篮前后电机反转夹爪气缸松开花篮上下电机正转花篮前后电机插硅片位感应花篮前后电机插硅片位感应花篮前后电机回取料位花篮上下电机正转花篮前后电机反转位置计数硅片到位感应花篮上下电机反转花篮进料传送带硅片到位感应硅片定位气缸1到位限位硅片定位气缸2到位限位夹爪气缸松开硅片进料传送带位置计数花篮上下电机正转花篮前后电机正转花篮上下电机反转花篮19层到位感应是夹爪气缸松开花篮夹爪气缸始位限位成品出料传送花篮前后位电机取花蓝位感应花篮进料传送花篮进料传送带成品出料传送带夹爪气缸松开传送带运行指示灯成品出料满料感应初始位开始花篮上下电机刹车释放花篮前后电机刹车释放否是是是是是手动操作否电机回始位是取料位感应花篮前后电机回取料位是否夹爪气缸限位感应否是硅片进料传送带花篮进料传送带否花篮进料传送带否花篮进料传送否蜂鸣器花篮进料传送否中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 100 高抗扰乱能力和高共模约束的能力4。2.3 控制电路图设计 实现硅片及花篮跑道 pvd 传输系统的精准控制要求涉及确保硅片和花篮的准确位置和运动，设计合理的电气控制图是重要的环节，本系统设计使用了五台电机完成驱动放料、插片、规整运行，如图 4 所示为主电路图。3 硅片花篮跑道 pvd 传输系统软件设计 3.1 软件总体设计 本设计所有的工艺顺序包含在如图 5 所示流程图中，利用触摸屏、电机、传感器、气缸、蜂鸣器等装置建立流程图中的工作流程。整个传输系统分为手动部分和自动部分，在不同的环境下选择不同的操作方式。在设备调试过程中使用手动部分较多，可操作花篮横移升降、传送带、气缸等运动。自动部分完成传输系统设计的各种要求，包括插片、复位、旋转、启停等各种运动自动运行，实现硅片在花篮中成品出料且对设备无损伤，提高安全、稳定性。机台的侧面及正面有急停与报警按钮，调试与自动运行时，触摸屏中人机交互界面建立急停与报警的按钮，同时连接蜂鸣器。3.2 触摸屏界面设计 触摸屏作为一种人机交互平台在控制系统中扮演着重要的角色，充当了操作者与设备之间的桥梁，使得操作设备和获取信息变得更加直观和便捷，合理的触摸屏界面设计能够大大降低设备操作难度，提高操作者的工作效率和安全性。本系统设计包括主界面设计、手动界面设计及报警界面设计，如图 6 所示为触摸屏主界面图。当机台机安装完备后，需要对机台进行手动 I/O 点对及传感器的手动调试可通过对花篮升降及横移电机、花篮进料传送带电机、硅片进料传送带电机、成品出料传送带电机、三个气缸，进行点动控制，保证设备的正常使用。当按下自动切换，系统可按照工艺任务任务自动运行。若操作中出现问题时，触摸屏会及时给出报警和反馈，以最快的速度排除问题，减少事故造成的损失。图 6 触摸屏主界面图 4 硅片花篮跑道 pvd 传输系统仿真与实验 4.1 软件仿真 随着硅片花篮跑道 pvd 传输系统的不断发展，仿真与实验是各种复杂系统研发工作中重要的验证手段，特别是在程序设计的工业自动化控制中，特定仿真对系统本身是必要的，仿真可以检查机台的的运行状态，监测运动失误，解决问题，提高传输效率。硅片花篮跑道 pvd 传输系统 PLC 软件仿真是通过建立计算机和物体的虚拟模型来进行触摸屏与程序的离线仿真，图 7、图 8 所示分别为部分 PLC 仿真图、组态仿真图。图 7 部分 PLC 仿真图 图 8 组态仿真图 4.2 实际调试 在硅片花篮跑道 pvd 传输系统仿真与调试后，设备能正常通电且实际运行情况下，检查电路中各部分元器件加工件无漏，核对好 IO 与人机界面的信号，检中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 101 查电路的连接，阀门的压力及各个气缸的压力，完全无问题后上电运行，实际花篮运行图如 9 所示。利用触摸屏检测硅片花篮跑道 pvd 传输系统的状态，其中部分的 IO 状态如下图 10 所示。图 9 实际花篮运行图 图 10 触摸屏实际监控图 4.3 结果及分析 在硅片花篮跑道 pvd 传输设备运行中，夹爪气缸往往由于各种因素而造成误差，对花篮运输跑道的光伏组件质量有一定影响，因此研究夹爪气缸设备的载荷和尺寸是有很大意义存在的5。本实验分析研究夹爪气缸的几何及底座的载荷计算相关数据。（1）夹爪气缸的尺寸计算 杆外径计算，依照速度比要求来计算活塞杆的外径，计算公式:d=(1)公式中 d 为活塞的杆外径（m）；D 为活塞直径（m），经过计算 D=0.038m；表示速度比，取=1.2。所以d 为 0.0163m=16.3mm。夹爪气缸筒内径的计算，缸筒内径的计算公式：0=0.13 0 其中0为夹爪气缸筒内径（m），v 为夹爪气缸最大输出速度，取 v=0.3m/s；0为缸口气流速度，一般不大于 4m/s，现取0=0.9m/s。经过计算0=2.852mm。（2）夹爪气缸底座载荷的组成和计算 作用在夹爪气缸活塞杆上的外部荷载包含摩擦载荷和因为速度变化而发生的惯性力。外部荷载的计算公式：=+=1+2 其中 m 为升降模组中立柱的质量，为 45kg；g 为重力加速度，取9.8/2；u 为滑珠摩擦系数，查阅可取 0.01；1为刚与加工件之间的摩擦系数，查阅可取0.3；G 是活动部分所受的重力；2是速度变化量，取0.45m/s；为制动时间，取 0.15s。将数据带入可得=224.4N。综上可得夹爪气缸杆外径 d=16.3mm，缸筒内径0=2.852mm。夹爪气缸底座载荷=224.4N。分析以上数据可知，夹爪气缸及底座收到的载荷在 220N 左右，确保硅片和花篮的总重力不得超过 22kg，或其总重力在载荷区间范围 220N 内，减少夹爪气缸在硅片花篮跑道 pvd 传输设备的误差，一旦超过载荷区间将对控制过程造成影响。5 结束语 本设计从硅片花篮跑道 pvd 传输设备传输效率低的问题出发，结合实际生产要求，从系统结构、软件、硬件设计、编程语言、组态仿真等方面，设计一种硅片花篮运输跑道 pvd 传输系统，以 SIMATIC S7-1200 PLC 为控制核心，通过嵌入式一体化触摸屏实现人机交互，利用光电传感器和磁电传感器进行位置检测，完成硅片和花篮的精准定位，提高机台的安全性。本设计使用梯形图语言编写控制程序，利用博途（TIA Portal v15）建立组态仿真，通过仿真及实验验证系统的平稳性、可用性，使用触摸屏状态监控、操作等功能，验证系统运行，实现硅片花篮运输跑道 pvd 传输系统的自动控制。针对夹爪气缸对花篮规整时，容易出现磨损摩擦等问题，研究得出夹爪气缸及底座收到的载荷在 220N 左右，确保硅片和花篮的总重力不得超过 22kg，或其总重力在载荷区间范围 220N 内，可减少夹爪气缸在硅片花篮跑道 pvd 传输设备的误差，参考文献 1姚亚军.太阳能光伏发电技术的应用研究J.科技创新与应用,2022,12(36):181-184.2李正平,杨黎飞,沈文忠.硅基异质结太阳电池新进中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 102 展J.物理学进展,2019,39(1):1-22.3 Shi Zhaoyao,Cheng Huiming,Yu Bo,et al.Loading rate dependence of reducer hysteresis and its influence on lost motion testJ.Machines,2022,10(9):1353-1364.4赵雅静.西门子 PLC 和触摸屏在除尘器控制系统的应用J.电子世界,2020(11):170-171.5李耀贵,杨斌.基于因子分析法的SCARA型硅片传输机器人灵活性综合评价模型 J.机械设计与制造,2019(11):133-137，141.作者简介：作者简介：袁跃梅（1992），女，蒙古族，河南南阳人，硕士研究生，助教，研究方向为仪器仪表工程。