石墨舟定位機構設計與優(yōu)化淺析

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摘要:介紹了光伏太陽能電池片產生的PECVD工序中石墨舟精準定位的重要性，設計了一種新型的石墨舟定位機構，闡述了其工作原理，利用Solidworks的Simulation模塊對石墨舟定位機構分別進行建模和變形分析，提出了裝配方法，保證了定位基準面的安裝精度。

關鍵詞:石墨舟;定位機構;變形分析;安裝精度

太陽能是一種永不枯竭的清潔能源，儲量豐富，作為可再生資源中重要的組成部分［1-2］，它的發(fā)展對于實現十四五規(guī)劃中碳達峰、碳中和的目標起著關鍵的作用。太陽能電池的功能就是要最大限度地吸收陽光并能夠高效地轉換為電力，減反射膜能夠在光學與電學性能改善方面起到積極的作用，它是太陽電池的重要組成部分，而制備太陽電池減反射膜的主要方法是等離子體增強化學氣相沉積(簡稱PECVD)技術［3］。PECVD技術是通過自動化設備將硅片放置在長方形的石墨舟里，再將石墨舟放置在工藝機臺的石英管內，采用氨氣和硅烷作為反應氣體，通過電磁場將其激發(fā)成等離子體，再利用等離子中電子的動能激活氣相的化學反應，從而快速沉積薄膜。目前將硅片放置在石墨舟里的方式是利用安裝在六軸機器人上吸附組的真空吸力來抓取和放置硅片，通過六軸機器人各關節(jié)的聯(lián)動，控制吸附組按照指定的運行軌跡將一組硅片放置到石墨舟內的卡點中。石墨舟定位機構的安裝精度和石墨舟定位的準確性直接影響著產品的品質，當安裝和定位偏差超過石墨舟卡點的最大允許量0．2mm時，便會產生硅片表面劃傷、吸盤印和碎片，直接影響了產品的良率和品質。本文設計了一種新型石墨舟定位機構，通過建立模型，進行了有限元形變分析并優(yōu)化了結構，最后通過要求裝配方法保證了機構的安裝精度。

1結構及其工作原理

如圖1所示，一種新型石墨舟定位機構主要包括傳輸電機、傳輸皮帶、固定側定位機構、推舟側定位機構、前端定位機構、后側推機構。固定側定位機構:石墨材質高溫后形變大，而陶瓷材質由較好的熱特性，它高溫下有很好的穩(wěn)定性，因此石墨舟上各石墨片是通過陶瓷柱和陶瓷環(huán)來限定位置的，在陶瓷柱附近石墨舟片的變形量小，因此在石墨舟陶瓷柱兩邊設計與石墨舟接觸的定位條。推舟側定位機構:推舟條依次和彈簧、導向軸、直線軸承相連，由于彈簧本身特性，石墨舟在一定變形范圍內，彈簧的作用力變化不大，推舟側定位機構受石墨舟變形影響小，因此彈簧式定位比非彈簧式穩(wěn)定。前端定位機構、后側推機構:采用帶軸承的滾輪與石墨舟接觸，線接觸相比面接觸，接觸面積更小，可以避免在定位過程中接觸阻力的影響，保證了定位的準確性。石墨舟定位機構在進行舟定位的過程中，各氣缸需要按照一定順序進行工作，否則會出現定位不準確、石墨舟夾碎等問題，下面結合圖2對這種石墨舟定位機構的工作原理來進行說明，首先PLC控制器控制傳輸電機將石墨舟傳進工作位，當舟和舟托到位傳感器檢測到后，PLC控制推托盤氣缸和上下缸電磁閥輸出，當兩個氣缸的磁開亮時，PLC控制器會控制推滑臺缸和前后夾舟缸的電磁閥，使2個氣缸伸出，當兩個氣缸的磁開亮后，PLC控制器控制推舟氣缸的電磁閥輸出，推舟缸將舟推向固定側定位機構并緊靠定位基準面，最終完成準確定位。

2形變分析

石墨舟定位機構的側定位基準面和前端定位機構受氣缸的推力會產生形變，當變形量小于0．2mm時，不會對機械手在舟內插取片產生影響，當變形量超過0．2mm，會使碎片、劃傷、吸盤印比例的上升，影響產出良率，因此，需要對結構進行形變分析并進行機構優(yōu)化。

2．1固定側定位機構的變形分析

本文針對沿受力方向支撐筋的不同厚度對固定側定位機構整體變形的影響進行有限元分析，分別對厚度為50mm，80mm支撐筋的固定側定位機構進行形變分析。首先運用三維軟件對固定側定位機構進行建模，隨后導入SOLIDWOＲKS軟件的Simulation模塊中設置固定側機構的分析條件，固定側機構材料選用工業(yè)上常用不易氧化的2A12鋁合金，設置各個部件之間的連接關系為螺栓連接，并設置各個零件之間的相觸面組。在定位底板上與舟移動底板連接的螺紋孔處添加固定約束。在每個舟定位條的三個定位面上都施加大小為10N的力，力的大小是由彈簧設計的彈力決定。通過求解得到固定側機構的變形云圖，如圖3所示:當支撐筋的厚度為50mm時，最大變形量為0．09685mm;厚度為80mm時，最大變形量為0．03663mm;由以上數據可知，當厚度由50mm變化到80mm時，變形量減小了0．06002mm，厚度增加可有效降低機構的變形量，因此本文選用厚度為80mm支撐筋的固定側定位機構。2．2推舟側定位機構的變形分析推舟側定位機構各零件之間的連接關系設為螺栓連接，并按照螺紋預緊力標準設置螺紋連接的預緊力。設置各個零件之間的相觸面組，在定位底板的螺紋孔上添加固定約束。單個彈簧組件的最大設計彈力為10N，因此在定位板上每個彈簧組件的位置添加10N的力，據此求解推舟側機構的變形。考慮到成本和整體機構的重量，將彈簧組件連接板分別取12mm和18mm兩種厚度進行變形分析。如圖4所示，形變主要發(fā)生區(qū)域為整個機構的上部，兩種厚度情況下最大形變分別為0．1158mm和0．1216mm。通過分析，兩種厚度下機構整體的形變差距僅有0．0058mm，因此彈簧組件連接板厚度選擇12mm，在不影響機構強度的情況下可以降低機構的重量并節(jié)省加工成本。

2．3前端定位機構的變形分析

按照之前的步驟進行有限元分析定義，舟前后定位推機構采用型號為MGPM25的氣缸，其在氣壓為0．6MPa條件下輸出力為295N，因此在舟前后定位固定側機構與舟接觸的地方施加一個295N的力，劃分網格后求解計算得出該結構變形云圖，如圖5所示，其最大變形為0．1453mm，小于允許的最大變形量0．2mm，因此該結構滿足使用條件。

3提出定位基準面裝配方法并檢驗其精度

固定側定位機構基準面的平面度是本設計的一個重要指標，它直接影響舟定位結果的一致性和穩(wěn)定性，直接決定了設備運行的穩(wěn)定性。本文設計的基準面是一塊長1．9m，寬0．5m，厚度為12mm的鋁板，加工成型后必定發(fā)生較大形變，本文提出了一種裝配方法，保證了基準面的平面度，裝配方法如下:1)在精度0．03mm的裝配平臺上將10個定位面加強筋6與定位頂板和定位底板安裝起來，保證加強筋6的A面在裝配過程中始終與裝配平臺貼合，裝配成如圖6左側圖所示效果。2)保證舟定位側基板與各定位面加強筋6以及定位頂板緊密貼合，且各定位面加強筋6與定位頂板平齊，如圖6右側圖所示效果。3)用百分表測量安裝后的定位基準面，測量結果顯示其平面度在±0．06mm之內，可以達到正常使用要求。

4結束語

本文介紹了新型石墨舟定位機構的結構和工作原理，通過形變分析優(yōu)化了定位機構的結構，驗證了該定位機構在正常工作中受力后的形變在使用允許的范圍內，并提出了安裝該定位機構的裝配方法，保證了定位機構的裝配精度，從而提高了PECVD自動化設備運行的穩(wěn)定性和競爭性。

參考文獻

［1］苗俊芳，張海．制絨上料插片機產能提升方法研究［J］．電子專用設備研究，2020，49(2):62-65．

［2］岳軍．石墨舟上下料機的研制［J］．電子工藝技術，2015，36(6):361-363．

［3］沈輝等．晶體硅太陽電池［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2020．

作者:張奇巍 任云星 剌穎乾 單位:中國電子科技集團公司第二研究所