基于機(jī)械手的硅片搬運(yùn)浸泡應(yīng)用研究

王靜 修利強(qiáng) 任沁

摘 要：本課題針對(duì)清洗生產(chǎn)線的硅片搬運(yùn)提供了機(jī)器人解決方案，工業(yè)機(jī)器人替代人工搬運(yùn)方式，將整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程做成一個(gè)相對(duì)封閉的單元空間。采用機(jī)械手抓舉提升放置系統(tǒng)為全自動(dòng)控制，全自動(dòng)控制為人為設(shè)定好程序，設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各工件位置，夾取、翻轉(zhuǎn)、碼放、排列均為自動(dòng)運(yùn)行，是安全生產(chǎn)和工藝要求的保證，避免造成人員、設(shè)備和產(chǎn)品的損壞，減輕勞動(dòng)力勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；全自動(dòng)控制；夾取；碼放

中圖分類號(hào)：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

目前清洗車間硅片搬運(yùn)有一段采用人工搬運(yùn)，占用人力，清洗液容易遺撒在設(shè)備外，由人工把裝片完成的籃筐移動(dòng)到清洗機(jī)的水槽中，并碼放。電池片表面是有水的，所以在搬運(yùn)過(guò)程中沿途會(huì)留下水印，隨著搬運(yùn)次數(shù)的增加積水面積也會(huì)增加，給現(xiàn)場(chǎng)造成一定的安全隱患。因此機(jī)器人全自動(dòng)抓舉提升放置硅片支架來(lái)解決此問(wèn)題。

機(jī)器人、裝片生產(chǎn)線和清洗機(jī)之間通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)接，從裝片機(jī)上抓取籃筐為夾取點(diǎn)，放置籃筐到清洗機(jī)為放置點(diǎn)，而夾取點(diǎn)和放置點(diǎn)的傳感器反饋可以很好地掌握機(jī)器人和生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，由于生產(chǎn)線上每個(gè)籃筐的裝片時(shí)間大致為25s～30s時(shí)間不固定，這種方式可以使機(jī)器人在感應(yīng)到指令信號(hào)后再運(yùn)動(dòng)，精準(zhǔn)掌握抓取時(shí)間，同樣放置時(shí)也會(huì)通過(guò)傳感器感應(yīng)確定清洗機(jī)當(dāng)前是否為待命狀態(tài)，有效地避免重復(fù)填裝和填裝位置偏移。

1 系統(tǒng)組成介紹

本方案包括：Staubli RX160L機(jī)械臂、機(jī)械臂搭載架、控制系統(tǒng)CS8C、晶筐專用夾具、外圍電控系統(tǒng)及相關(guān)安防和土建設(shè)施。

1.1 Staubli RX160L機(jī)械臂

RX160L機(jī)器人系統(tǒng)為整個(gè)晶體抓舉工藝流程的核心，依據(jù)控制系統(tǒng)和搭載夾具，實(shí)現(xiàn)整筐晶體的空間位置轉(zhuǎn)移，機(jī)械手具體參數(shù)如下：負(fù)載/kg：額定負(fù)載14kg，最大負(fù)載28kg；空間半徑/mm：2010mm；位置精度/mm：±0.05mm；防護(hù)等級(jí)：IP65 （手腕IP67）。

1.2 限位開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)

限位開關(guān)：各軸限位開關(guān)采用日本IKO霍爾元件，質(zhì)量和性能穩(wěn)定。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用伺服電機(jī)，定位準(zhǔn)確，恒力矩輸出不會(huì)出現(xiàn)爬行和堵轉(zhuǎn)，性能可靠，每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)提供了更快的生產(chǎn)效率。

1.3 傳動(dòng)方式介紹

系統(tǒng)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸是整臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵所在，決定了行程、承載、穩(wěn)定性、適用環(huán)境及外形尺寸等主要技術(shù)指標(biāo)，以下分別從各軸的傳動(dòng)方式、支撐方式、驅(qū)動(dòng)方式、限位防護(hù)方式和精度保證措施等方面進(jìn)行說(shuō)明。

（1）傳動(dòng)絲杠

三維平動(dòng)臺(tái)質(zhì)量和性能的關(guān)鍵在于傳動(dòng)方式的選擇以及機(jī)體材質(zhì)、加工和裝調(diào)質(zhì)量。

本系統(tǒng)使用的傳動(dòng)方式是高精密齒輪齒條和滾珠絲杠，滾珠絲杠與螺母之間通過(guò)鋼珠形成滾動(dòng)摩擦，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，并且可以通過(guò)控制絲杠直徑與導(dǎo)程來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的要求。齒輪齒條傳動(dòng)適合在大行程中使用。

（2）導(dǎo)軌

導(dǎo)軌直接影響著三維平動(dòng)臺(tái)的位移精度、行程、承載、穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標(biāo)，目前常用的導(dǎo)軌形式主要有燕尾導(dǎo)軌 、交叉滾柱導(dǎo)軌、滾珠導(dǎo)軌和滑塊導(dǎo)軌等。

燕尾導(dǎo)軌的接觸面積大，摩擦力大，具有剛性高、承載大、行程長(zhǎng)等特點(diǎn)，但對(duì)加工面要求較高，定位精度偏低。適用于重型機(jī)械和一般精度設(shè)計(jì)。

交叉滾柱導(dǎo)軌具有交替正交排列的精密滾子，可提供有剛性且靈活的直線運(yùn)動(dòng)，其具有摩擦力低、剛性高、承載大、定位精度高等特點(diǎn)，但不能提供大的行程，適合高精度小行程的應(yīng)用。

滾珠導(dǎo)軌通過(guò)滾珠在與軸相連的槽道中的滾動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)比使用直線軸套時(shí)更大的容許負(fù)荷，且可以在進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)傳遞扭矩。滾珠導(dǎo)軌的摩擦力小，剛性、承載、定位精度和行程方面一般，不適合高精度的要求。

滑塊導(dǎo)軌的摩擦力較低，具有剛性高、承載大、定位精度高等特點(diǎn)，并能提供較大行程。

（3）本方案?jìng)鲃?dòng)方式的選擇

根據(jù)上面的分析，X軸行程2.2m，Y軸0.8m，Z軸0.7m，行程較大，所以選擇滑塊導(dǎo)軌，在保證了系統(tǒng)精度的同時(shí)也保證了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。

由于X軸行程2.2m較大，所以適合使用的傳動(dòng)方式是齒輪齒條，絲杠在超過(guò)1.5m行程時(shí)會(huì)產(chǎn)生自然彎曲，不適合大行程。Y軸和Z軸行程不超過(guò)1.5m，所以使用滾珠絲杠傳動(dòng)。

2 工作原理及流程

搬運(yùn)對(duì)象：整筐晶片（帶方形塑料筐200mm×200mm

×250mm），5kg，易碎。

搬運(yùn)目的地：從皮帶輸送機(jī)上把已裝好的整筐晶片，通過(guò)一系列的動(dòng)作搬運(yùn)至水箱中并浸泡。

2.1 搬運(yùn)的流程

（1）首先，由傳送帶將浸泡的整筐晶片輸送到機(jī)械手的工作半徑內(nèi)（此時(shí)機(jī)械手位于該傳送帶的正上方，以確保整個(gè)機(jī)械手的工作過(guò)程所用時(shí)間最短）。

（2）視覺(jué)識(shí)別：由視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)整筐晶片的位置進(jìn)行識(shí)別，將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。

（3）機(jī)械手根據(jù)控制系統(tǒng)指定的命令完成以下執(zhí)行任務(wù)：

下降（staubli機(jī)械臂下降到指定位置）；抓取（由機(jī)械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；旋轉(zhuǎn)并上升（由機(jī)械臂第六軸和夾持裝置共同完成，將整筐晶片提升至傳送帶上方）；下降（由機(jī)械臂第六軸和夾持裝置共同完成，將整筐晶片送至水箱）；放下晶片筐（由機(jī)械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；上升并旋轉(zhuǎn)（由機(jī)械臂第六軸和夾持裝置共同完成，機(jī)械手臂還原至初始位置）。

上述流程僅為一個(gè)工作流程機(jī)械手所需完成的動(dòng)作，本設(shè)計(jì)要對(duì)多個(gè)晶片筐進(jìn)行搬運(yùn)，并碼放到水槽中相應(yīng)的位置（預(yù)先已將水槽規(guī)劃設(shè)計(jì)為多個(gè)晶片筐放置點(diǎn)），控制系統(tǒng)多次重復(fù)上述流程，將多個(gè)晶片筐按照程序規(guī)劃自動(dòng)搬運(yùn)并放置在水槽中，直至水槽放滿。

（4）對(duì)整筐晶片進(jìn)行浸泡。

2.2 機(jī)械手設(shè)備動(dòng)作流程

（1）設(shè)備啟動(dòng)，XYZRA歸零（注意靠近START，并注意防止機(jī)械干涉）。

（2）層片疊堆動(dòng)作，XYZRA動(dòng)作至適當(dāng)位置，準(zhǔn)備START。

Z軸下降→A軸氣夾夾緊花籃→Z軸攜帶籃筐提升至超過(guò)R軸高度→XY運(yùn)動(dòng)到R軸上空→Z軸下降→A軸氣夾打開，將籃筐放置于R軸上→Z軸提升→R軸旋轉(zhuǎn)90°→Z軸下降→ A軸氣夾夾緊籃筐→Z軸上升→XY運(yùn)動(dòng)到清洗機(jī)中水槽上空相應(yīng)位置→Z軸下降，使籃筐浸于水中→A軸氣夾打開，將籃筐放置于水槽中（注意碼放整齊，和Z軸高度有關(guān)）→Z軸上升使A軸氣夾超過(guò)R軸高度→XY軸運(yùn)動(dòng)到START或者附近位置進(jìn)行下一次抓取循環(huán)。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在機(jī)械手臂系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：（1）行程范圍 空間半徑：≤2000mm；（2）載重能力：3000kg 工業(yè)型材支架： 結(jié)構(gòu)主體：焊接 ；安裝方式：螺紋連接 ；安裝位置：地面；夾持裝置：夾持裝置采用金屬材料加工而成； 采用鍥口式夾持； 夾持機(jī)械手與垂直軸鋼性連接；工作效率：?jiǎn)蝹€(gè)晶體從抓舉、搬運(yùn)到碼放至水箱，時(shí)間控制20s以內(nèi)，也可以根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)整。

采用機(jī)械手臂自動(dòng)清洗系統(tǒng)，可以滿足硅片清潔線的自動(dòng)化需要，避免人工操作的繁復(fù)性和故障率，提高工作效率，避免了清洗液濺射。

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