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太陽能光伏行業中硅錠切方機的研發與應用

作者:高威科來源:北京高威科電氣技術股份有限公司 瀏覽次數: 日期:2014年7月10日 01:31

 

概述

多線切割是一種通過金屬絲的高速往復運動,把磨料帶入半導體加工區域進行切割、研磨,將半導體等硬脆材料一次同時切割為多塊甚至數百片薄片的一種新型切割加工方法。目前超過80%的太陽能電池產品需要通過對大塊晶體硅進行切割來生產,而多絲線切割晶片具有彎曲度(bow)小、翹曲度(Warp)小、平行度(Tarp)好、總厚度公差小(TTV)小、片間切割損耗少、加工晶片表面損傷層淺、粗糙度小、切方(片)加工成品率高、生產效率高、投資回報率高等優點。多線切割機已逐漸取代了傳統的內圓切割,成為硅片切割加工的主要方式。因此,應用多線切割機是發展規模化生產和提高生產效率的必然選擇,使用多線切割機加工各類晶片是必然趨勢,特別適用于太陽能光伏電池超薄機基片的批量加工。

 高威科集團長期致力于運動控制技術、多絲線切割技術的研發、伺服產品的推廣,為設備制造廠家提供整體自動化解決方案。成功研發的這套切方機系統支持多種規格的產品生產,支持金剛線/砂漿線兩種切割方式,正常切割線速度可高達800m/min,升降臺切割進給速度范圍0.1~5mm/min,回線率可高達99%以上。相對于國內其它廠家切方機設備而言,該項目的切方機有切割效率高、切割尺寸精度高、斷線率低、人機操作簡便等優勢。

  

設備及工藝說明

硅片切割時太陽能光伏電池制造工藝中的關鍵部分,該工藝用于處理單晶硅或多晶硅的固體硅錠(硅棒),如下圖所示,先將固體硅錠(硅棒)截斷,然后切成方塊,然后切成很薄的硅片(厚度100um~200um)。這些切割工序都有用到多線切割,即:截斷機、切方機、切片機。本文主要討論其中的切方機研發與應用。

                      

                     圖1 硅片切割工序示意圖:硅棒(錠)->截斷->切方->切片

 

切方機主要由切割室、兩個收放線室、基臺、漿料缸、配電室、氣壓倉共六大部分組成。

切割室是主要有4組橡膠導輪和線網構成,線網是繞在導輪上,處在基臺下方。切割時,切割室的4組導輪帶動線網高速往返旋轉。

收放線室由收放線輪、滑輪組以及張力控制器組成。

漿料缸是在機器后部,為了在機器底部形成一個回流槽,然后由機器上方的氣壓倉將底部的漿料抽到上方的噴嘴處,流下的漿料又回流進回流槽,再回到漿料缸。漿料缸中有過濾網,可過濾出切割雜質。

設備結構示意圖及外形圖如下各圖所示。

  

圖2 切方機結構示意圖(斜視圖)

 

        

     

圖3 切方機結構示意圖(俯視圖)

     

圖4 切方機結構示意圖(正視圖)

                                        圖5 切方機設備外觀圖

硬件系統架構

切方機上各傳動全部采用BeckHoff AX5000系列的雙軸驅動器,伺服網絡采用高速以太網EtherCAT通訊。主要控制切割軸1~4、收放線桶A/B、線桶排絲A/B、切割線網升降以及工作臺等運動部件的高速、高精度聯動。

自動化控制采用BeckHoff CX1020 高性價比、嵌入式控制器。IO采用拼接組合便捷的EtherCAT端子模塊(E-bus)。

人機界面采用九思易PowerView高性能觸摸屏,與主控制器CX1020的通訊方式為以太網OPC通訊。整個控制系統硬件框架如下圖所示。

                                       圖6 控制系統硬件框架圖

軟件系統設計

程序設計采用符合IEC 61131-3標準的TwinCAT PLC Control編程,整個軟件控制系統基于開放式、模塊化、可重構和智能化的原則科學合理開發。

系統運行過程中,主要分為如下幾大工作模式,詳細的狀態轉移圖如下圖所示: 

1)運行模式:包含單向正轉、單向反轉、往返循環幾種運動方式。 

2)切割模式:具備各種外圍環境下,進行硅錠或硅棒切割。 

3)繞線模式:用于自動、定量卷繞A、B線桶上的切割絲。 

4)穿絲模式:用于自動穿絲、繞織切割室內縱橫線網。 

5)調試模式:用于調試設備各項手動操作功能。 

6)待機模式。 

7)故障模式:發生異常故障時,針對具體故障原因,采取相應的故障自診斷、安全保護、報警提示等措施。

                                  圖7 控制系統狀態轉移圖

 

如下面的控制系統任務規劃總圖所示,為實現上述7大工作模式的具體運作,軟件控制系統中構建了條理清晰、內容全面的10組功能塊:

 

圖8 控制系統任務規劃總圖

結束語

該項目研發的切方機屬于高速多絲線切割機床,具有廣泛的用途,在單(多)晶硅、人造寶石、石英、水晶、陶瓷、磁性材料等硬脆材料的切割加工行業中都有廣泛的影響和很大的效益。項目中軟硬件系統均符合當前自動化系統開放式、模塊化、可重構和智能化等發展趨勢,把我國當今制造業中的數字加工技術、計算機技術、自動控制技術、高速實時網絡通訊等高新技術應用到光伏等行業,攻克和掌握了多絲線切割領域的諸多核心技術,打破了國外進口設備壟斷我國內光伏加工產業的局面,大大提升了中國先進加工制造的市場競爭力。開發這類設備具有重大的研究意義,可為后續發展提供典型案例,積累經驗,開辟新型產業的廣闊前景。

 

所屬類別: 節能環保

該資訊的關鍵詞為:控制系統  切割加工行業 

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