石墨舟定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化淺析

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摘要:介紹了光伏太陽能電池片產(chǎn)生的PECVD工序中石墨舟精準(zhǔn)定位的重要性，設(shè)計(jì)了一種新型的石墨舟定位機(jī)構(gòu)，闡述了其工作原理，利用Solidworks的Simulation模塊對石墨舟定位機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行建模和變形分析，提出了裝配方法，保證了定位基準(zhǔn)面的安裝精度。

關(guān)鍵詞:石墨舟;定位機(jī)構(gòu);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(shí)現(xiàn)十四五規(guī)劃中碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)起著關(guān)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(zhuǎn)換為電力，減反射膜能夠在光學(xué)與電學(xué)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(qiáng)化學(xué)氣相沉積(簡稱PECVD)技術(shù)［3］。PECVD技術(shù)是通過自動化設(shè)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(jī)臺的石英管內(nèi)，采用氨氣和硅烷作為反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，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(jī)器人上吸附組的真空吸力來抓取和放置硅片，通過六軸機(jī)器人各關(guān)節(jié)的聯(lián)動，控制吸附組按照指定的運(yùn)行軌跡將一組硅片放置到石墨舟內(nèi)的卡點(diǎn)中。石墨舟定位機(jī)構(gòu)的安裝精度和石墨舟定位的準(zhǔn)確性直接影響著產(chǎn)品的品質(zhì)，當(dāng)安裝和定位偏差超過石墨舟卡點(diǎn)的最大允許量0．2mm時(shí)，便會產(chǎn)生硅片表面劃傷、吸盤印和碎片，直接影響了產(chǎn)品的良率和品質(zhì)。本文設(shè)計(jì)了一種新型石墨舟定位機(jī)構(gòu)，通過建立模型，進(jìn)行了有限元形變分析并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，最后通過要求裝配方法保證了機(jī)構(gòu)的安裝精度。

1結(jié)構(gòu)及其工作原理

如圖1所示，一種新型石墨舟定位機(jī)構(gòu)主要包括傳輸電機(jī)、傳輸皮帶、固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)、推舟側(cè)定位機(jī)構(gòu)、前端定位機(jī)構(gòu)、后側(cè)推機(jī)構(gòu)。固定側(cè)定位機(jī)構(gòu):石墨材質(zhì)高溫后形變大，而陶瓷材質(zhì)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(shè)計(jì)與石墨舟接觸的定位條。推舟側(cè)定位機(jī)構(gòu):推舟條依次和彈簧、導(dǎo)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(nèi)，彈簧的作用力變化不大，推舟側(cè)定位機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)、后側(cè)推機(jī)構(gòu):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(zhǔn)確性。石墨舟定位機(jī)構(gòu)在進(jìn)行舟定位的過程中，各氣缸需要按照一定順序進(jìn)行工作，否則會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確、石墨舟夾碎等問題，下面結(jié)合圖2對這種石墨舟定位機(jī)構(gòu)的工作原理來進(jìn)行說明，首先PLC控制器控制傳輸電機(jī)將石墨舟傳進(jìn)工作位，當(dāng)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(dāng)兩個(gè)氣缸的磁開亮?xí)r，PLC控制器會控制推滑臺缸和前后夾舟缸的電磁閥，使2個(gè)氣缸伸出，當(dāng)兩個(gè)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(cè)定位機(jī)構(gòu)并緊靠定位基準(zhǔn)面，最終完成準(zhǔn)確定位。

2形變分析

石墨舟定位機(jī)構(gòu)的側(cè)定位基準(zhǔn)面和前端定位機(jī)構(gòu)受氣缸的推力會產(chǎn)生形變，當(dāng)變形量小于0．2mm時(shí)，不會對機(jī)械手在舟內(nèi)插取片產(chǎn)生影響，當(dāng)變形量超過0．2mm，會使碎片、劃傷、吸盤印比例的上升，影響產(chǎn)出良率，因此，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行形變分析并進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化。

2．1固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)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(cè)定位機(jī)構(gòu)整體變形的影響進(jìn)行有限元分析，分別對厚度為50mm，80mm支撐筋的固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行形變分析。首先運(yùn)用三維軟件對固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，隨后導(dǎo)入SOLIDWOＲKS軟件的Simulation模塊中設(shè)置固定側(cè)機(jī)構(gòu)的分析條件，固定側(cè)機(jī)構(gòu)材料選用工業(yè)上常用不易氧化的2A12鋁合金，設(shè)置各個(gè)部件之間的連接關(guān)系為螺栓連接，并設(shè)置各個(gè)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(gè)舟定位條的三個(gè)定位面上都施加大小為10N的力，力的大小是由彈簧設(shè)計(jì)的彈力決定。通過求解得到固定側(cè)機(jī)構(gòu)的變形云圖，如圖3所示:當(dāng)支撐筋的厚度為50mm時(shí)，最大變形量為0．09685mm;厚度為80mm時(shí)，最大變形量為0．03663mm;由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)厚度由50mm變化到80mm時(shí)，變形量減小了0．06002mm，厚度增加可有效降低機(jī)構(gòu)的變形量，因此本文選用厚度為80mm支撐筋的固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)。2．2推舟側(cè)定位機(jī)構(gòu)的變形分析推舟側(cè)定位機(jī)構(gòu)各零件之間的連接關(guān)系設(shè)為螺栓連接，并按照螺紋預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置螺紋連接的預(yù)緊力。設(shè)置各個(gè)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(gè)彈簧組件的最大設(shè)計(jì)彈力為10N，因此在定位板上每個(gè)彈簧組件的位置添加10N的力，據(jù)此求解推舟側(cè)機(jī)構(gòu)的變形。考慮到成本和整體機(jī)構(gòu)的重量，將彈簧組件連接板分別取12mm和18mm兩種厚度進(jìn)行變形分析。如圖4所示，形變主要發(fā)生區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)強(qiáng)度的情況下可以降低機(jī)構(gòu)的重量并節(jié)省加工成本。

2．3前端定位機(jī)構(gòu)的變形分析

按照之前的步驟進(jìn)行有限元分析定義，舟前后定位推機(jī)構(gòu)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(cè)機(jī)構(gòu)與舟接觸的地方施加一個(gè)295N的力，劃分網(wǎng)格后求解計(jì)算得出該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)滿足使用條件。

3提出定位基準(zhǔn)面裝配方法并檢驗(yàn)其精度

固定側(cè)定位機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)面的平面度是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響舟定位結(jié)果的一致性和穩(wěn)定性，直接決定了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)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(zhǔn)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(gè)定位面加強(qiáng)筋6與定位頂板和定位底板安裝起來，保證加強(qiáng)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(cè)圖所示效果。2)保證舟定位側(cè)基板與各定位面加強(qiáng)筋6以及定位頂板緊密貼合，且各定位面加強(qiáng)筋6與定位頂板平齊，如圖6右側(cè)圖所示效果。3)用百分表測量安裝后的定位基準(zhǔn)面，測量結(jié)果顯示其平面度在±0．06mm之內(nèi)，可以達(dá)到正常使用要求。

4結(jié)束語

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

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［3］沈輝等．晶體硅太陽電池［M］．北京:化學(xué)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(tuán)公司第二研究所