單晶硅硅片自動化生產(chǎn)設(shè)計探析

設(shè) 計 思 路

硅片每一刀料是一個料號含有物料的型號身份信息，一刀料約3200片， 4個載體治具進(jìn)行承載。特定型號硅片需在對應(yīng)清洗機(jī)設(shè)備中進(jìn)行清洗。設(shè)備動作流程：上料機(jī)械手將清洗機(jī)空載體治具抓取放置在空治具回流線體。滿載硅片治具通過輸送線體（帶水輸送線）輸送到清洗機(jī)臺擋停，識別。機(jī)械手到輸送位抓取，再次判定確認(rèn)載體治具的硅片滿足清洗型號設(shè)定條件。上料機(jī)械手優(yōu)先放置在清洗機(jī)空置的上料位（為雙上料工位）。若清洗機(jī)上料工位有料，放置緩存料箱。整個流程確保清洗機(jī)不停機(jī)待料。

硅片載體治具和上下料機(jī)械手兩部分裝置作用和貫穿于輸送、緩存、清洗分片、空治具回流輸送等系統(tǒng)，為重要設(shè)計要素。

硅片治具載體設(shè)計，從硅片分裝、信息記錄、輸送、機(jī)械手抓取、清洗機(jī)分片、空治具回流作為載體。設(shè)計中首先確保清洗分片的定位，傾角功能。治具承載能力滿足一刀料約800片的容量和負(fù)載。設(shè)計安裝RFID芯片記錄刀號信息，設(shè)計符合輸送截停阻擋功能接口。設(shè)計治具載體有上下料機(jī)械手夾爪抓取位置。

機(jī)械手設(shè)計，從硅片滿載治具的輸送、緩存、清洗分片位的上料、空治具回流等實現(xiàn)承上啟下的轉(zhuǎn)序功能。機(jī)械手設(shè)計橫移行程覆蓋各功能模塊區(qū)域，垂直提升、降滿足各高度要求。機(jī)械手設(shè)計滿載治具承載力20Kg，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。垂直提升選用帶抱閘伺服電機(jī)。橫移行程覆蓋空治具回流線，滿載輸送線，緩存線、清洗分片上料位區(qū)域，機(jī)械手運行平穩(wěn)，無爬坡，抖動現(xiàn)象。橫移采用型材鋼加工安裝導(dǎo)軌，伺服電機(jī)帶減速機(jī)驅(qū)動，皮帶輪傳動。抓取中保證治具不變形，不能對產(chǎn)品造成2次損傷。在抓取過程判定確認(rèn)物料信息是否滿足清洗的目標(biāo)要求。滿載治具的輸送線體, 治具緩存裝置,空治具回流輸送線體設(shè)計高度統(tǒng)一，方便編程和調(diào)試。

機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計

上下料機(jī)械手作用和貫穿于輸送、緩存、清洗分片、空治具回流輸送等系統(tǒng)，完成各個功能模塊的硅片治具的上下料轉(zhuǎn)序。俯視圖如圖一所示：

硅片單片很薄、堅硬、脆，考慮工況水質(zhì)浸泡的環(huán)境治具要變形小。治具材料采用硬PVC材料阻燃，硬度高，韌性好，吸濕小。按8寸硅片尺寸設(shè)計內(nèi)框限位，單邊放4mm間隙。承載量為800片硅片設(shè)計治具高度和承載力，安裝板螺紋底孔內(nèi)嵌螺紋鋼套。底板設(shè)計清洗分片機(jī)的定位孔，入口孔帶倒角方便引導(dǎo)。底板四角設(shè)計內(nèi)圓弧角，用于前后治具跟進(jìn)時的隔斷。左右側(cè)板設(shè)計機(jī)械手抓取前的限位導(dǎo)向，當(dāng)機(jī)械手下降時自動導(dǎo)正治具后到位抓取。斜度板設(shè)計角度符合清洗分片的角度。抓板設(shè)計同時滿足人工和機(jī)械手搬運。后板設(shè)計要挖空，方便人工放置硅片操作。后板并設(shè)計有RFID芯片安裝位。

圖二硅片載體治具示意圖

1.底板 2.側(cè)板3.斜度板4.抓板5.后板

機(jī)械手系統(tǒng)由氣動控制組件、接線盒、三色燈報警器、LED顯示器、機(jī)架框架、機(jī)械手桁架組件、觸摸屏控制組件、保護(hù)罩殼、控制電箱、治具緩存水箱組成。如圖三所示。氣動控制組件和接線盒方便于能源接入。三色燈報警器時時動態(tài)顯示設(shè)備狀態(tài)，便于維護(hù)。LED顯示器主要顯示設(shè)備的料號信息。機(jī)架框架設(shè)計滿足機(jī)械手桁架組件和治具緩存水箱的安裝和承載。框架支承高度兼顧滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片位、空治具回流輸送功能需求。機(jī)械手桁架組件設(shè)計滿足硅片滿載治具的輸送、緩存、清洗分片位的上料、空治具回的流橫移和上下料的承載、行程。觸摸屏控制組件設(shè)計有自動和手動模式，方便調(diào)試、維護(hù)、管理。保護(hù)罩殼將機(jī)械運動機(jī)構(gòu)做安全防護(hù)，防止意外。治具緩存水箱設(shè)計防止一刀料全部到齊，造成輸送線體堵車作為緩存。緩存位物料少于2件時啟動叫料考慮中間環(huán)節(jié)備料時間。

圖三機(jī)械手系統(tǒng)示意圖

1.氣動控制組件2.接線盒3.三色燈報警器4.LED顯示器5.機(jī)架框架6.機(jī)械手桁架組件7.觸摸屏控制組件8.保護(hù)罩殼9.控制電箱10治具緩存水箱

（1）桁架機(jī)械手組件設(shè)計

桁架機(jī)械手由橫移移栽模組、垂直移栽模組、機(jī)械手組件、拖鏈組件、接線盒組成。如圖四所示。橫移移栽模組行程滿足現(xiàn)場布局，移栽橫移位涉及滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片位、空治具回流輸送的精確位置，采用伺服電機(jī)驅(qū)動。移載行程范圍內(nèi)設(shè)計零點、左右兩邊的極限位、中間設(shè)置加減速感應(yīng)位。橫梁采用型材鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌安裝為T型安裝方式，安裝面貼板焊接加工保持平行度和垂直度。移栽極限位設(shè)計機(jī)械硬限位。牽引方式采用皮帶。

圖四桁架機(jī)械手示意圖

1.橫移移栽模組2.垂直移栽模組3.機(jī)械手組件4.拖鏈組件5.接線盒

垂直移栽模組高度行程涉及滿載治具輸送、治具緩存水箱、清洗分片上料位、空治具回流輸送系統(tǒng)。設(shè)計時除清洗分片上料位高度外，其余高度設(shè)計一致。高度的行程以最低點容許富余量50mm。由于高度不同垂直提升采用抱閘伺服電機(jī)驅(qū)動。提升機(jī)構(gòu)設(shè)計為導(dǎo)軌滑塊和滾珠絲桿方式。移載行程范圍內(nèi)設(shè)計零點、上下兩邊的極限位、中間設(shè)置加減速感應(yīng)位。

（2）治具緩存水箱設(shè)計

治具緩存水箱放置在機(jī)械手橫移框架內(nèi)并固定。如圖五所示。緩存水箱的線體中心位置與機(jī)械手移載中心位置重合。機(jī)械手將輸送線體的滿載治具緩存在水箱中。治具緩存水箱由水箱本體、水下輸送線體、物料檢測、截停機(jī)構(gòu)組成。

圖五緩存水箱安裝位示意圖

水箱材料采用不銹鋼鈑金，拼接焊接而成密封不能漏水。水箱設(shè)計有進(jìn)水口和排水口方便水定時更換且設(shè)有液位傳感器。水箱外有與框架固定的安裝板。水箱內(nèi)安裝有輸送線體，用于輸送治具。水箱上料位設(shè)計有料感應(yīng)，感應(yīng)有料啟動輸送。水箱內(nèi)可以緩存4個治具位置加1個放料位滿足5個治具位置尺寸空間。每處位置都有有料感應(yīng)，防止?jié)M料放料或疊料。輸送前端設(shè)計有截停機(jī)構(gòu)，當(dāng)治具到上料抓取位時截停機(jī)構(gòu)啟動阻斷緊跟后面的治具，防止抓取提升帶起。

圖六緩存水箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.水箱本體2.水下輸送線體3.治具4.輸送驅(qū)動5.物料檢測6.截停機(jī)構(gòu)治具

推 廣 前 景 和 結(jié) 論

本文設(shè)計的一款硅片載體治具自動上料機(jī)械手，在整體車間13條清洗線實施后，硅片脫膠和清洗前的分裝、搬運、分配、上料環(huán)節(jié)中實現(xiàn)了僅在硅片脫膠后往治具分裝硅片需人工作業(yè)，大大減輕了勞動強(qiáng)度。不同型號的硅片清洗對應(yīng)的不同清洗設(shè)備可以在產(chǎn)線中實現(xiàn)自動分線混洗。清洗分片缺料前實現(xiàn)提前預(yù)警，準(zhǔn)備備料避免設(shè)備停機(jī)提高產(chǎn)能。在批量生產(chǎn)的光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀下，自動化生產(chǎn)是必然趨勢。清洗機(jī)上下料機(jī)械手改善員工作業(yè)環(huán)境，提高產(chǎn)品合格率、提升生產(chǎn)率。在原有設(shè)備運行的基礎(chǔ)上又在新上清洗機(jī)設(shè)備前加裝了20套該上料機(jī)械手，所以在上訴環(huán)節(jié)具有行業(yè)推廣意義。