硅片清洗自動(dòng)上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

姚明勇

（航天智造（上海）有限責(zé)任公司，上海 200233）

如今社會(huì)中資源消耗情況十分嚴(yán)重，可再生資源有限，資源供需不足也成為全球化問(wèn)題。太陽(yáng)能等可再生能源越來(lái)越受到關(guān)注，隨著光伏行業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展，硅片生產(chǎn)制造商的產(chǎn)能大幅度提升。很多關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)基本上由設(shè)備完成。在硅片脫膠后的清洗工序過(guò)程中，硅片分裝、搬運(yùn)、分配、上料等環(huán)節(jié)依然需要靠人力完成。在此過(guò)程中，硅片都在水質(zhì)環(huán)境，避免硅片脫離水質(zhì)后黏接不能分離。硅片的物流，自動(dòng)上料機(jī)械手裝置便是銜接脫膠和清洗兩個(gè)工序的紐帶。通過(guò)對(duì)客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境和布局調(diào)研，著手工藝過(guò)程、物流形式、節(jié)拍測(cè)算、原有設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)布局的測(cè)繪等前期工作。完成該上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、投產(chǎn)，有效解決了繁重人力和環(huán)境管理工作，減少了物料周轉(zhuǎn)和避免上料錯(cuò)誤率，提升設(shè)備利用率和提高產(chǎn)能。該案例的實(shí)施具有推廣意義。

1 設(shè)計(jì)思路

1．1 設(shè)計(jì)輸入前置條件

硅片型號(hào)分為P型、N型、PN型。且每一刀料是一個(gè)料號(hào)含有物料的型號(hào)身份信息，一刀料約3200片，4個(gè)載體治具進(jìn)行承載。特定型號(hào)硅片需在對(duì)應(yīng)清洗機(jī)設(shè)備中進(jìn)行清洗。設(shè)備動(dòng)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(guò)輸送線體（帶水輸送線）輸送到清洗機(jī)臺(tái)擋停、識(shí)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(hào)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(gè)流程確保清洗機(jī)不停機(jī)待料。

1．2 設(shè)計(jì)思路及措施

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(jì)要素。硅片治具載體設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)安裝RFID芯片記錄刀號(hào)信息，設(shè)計(jì)符合輸送截停阻擋功能接口。設(shè)計(jì)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(jì)，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(shí)現(xiàn)承上啟下的轉(zhuǎn)序功能。機(jī)械手設(shè)計(jì)具備左右橫移覆蓋各功能模塊區(qū)域，垂直提升、降滿足各高度要求。機(jī)械手設(shè)計(jì)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(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)爬坡，抖動(dòng)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(dòng)，皮帶輪傳動(dòng)。抓取中保證治具不變形，不能對(duì)產(chǎn)品造成二次損傷。在抓取過(guò)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(jì)高度統(tǒng)一，方便編程和調(diào)試。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)功能模塊的硅片治具的上下料轉(zhuǎn)序。如圖1所示。

圖1 上料機(jī)械手布局示意圖

2．1 硅片載體治具設(shè)計(jì)

硅片單片很薄、堅(jiān)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(jì)內(nèi)框限位，單邊放4mm間隙。承載量為800片硅片設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)內(nèi)圓弧角，用于前后治具跟進(jìn)時(shí)的隔斷。左右側(cè)板設(shè)計(jì)機(jī)械手抓取前的限位導(dǎo)向，當(dāng)機(jī)械手下降時(shí)，自動(dòng)導(dǎo)正治具后到位抓取。斜度板設(shè)計(jì)角度符合清洗分片的角度。抓板設(shè)計(jì)同時(shí)滿足人工和機(jī)械手搬運(yùn)。后板設(shè)計(jì)要挖空，方便人工放置硅片操作。后板并設(shè)計(jì)有RFID芯片安裝位。如圖2所示。

2．2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

圖2 硅片載體治具示意圖

機(jī)械手系統(tǒng)由氣動(dòng)控制組件、接線盒、三色燈報(bào)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3所示。氣動(dòng)控制組件和接線盒方便于能源接入。三色燈報(bào)警器時(shí)，是動(dòng)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(hào)信息。機(jī)架框架設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)有自動(dòng)和手動(dòng)模式，方便調(diào)試、維護(hù)、管理。保護(hù)罩殼將機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做安全防護(hù)，防止意外。治具緩存水箱設(shè)計(jì)防止一刀料全部到齊，造成輸送線體堵車(chē)作為緩存。緩存位物料少于2件時(shí)，啟動(dòng)叫料考慮中間環(huán)節(jié)備料時(shí)間。

圖3 機(jī)械手系統(tǒng)示意圖

（1）桁架機(jī)械手組件設(shè)計(jì)。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4所示。橫移移栽模組行程滿足現(xiàn)場(chǎng)布局，是空治具回流線體到清洗分片上料位之間的距離，兩邊各加50mm的容許富余量。移栽橫移停止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(dòng)。移栽行程范圍內(nèi)設(shè)計(jì)零點(diǎn)、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(mén)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(jì)機(jī)械硬限位。牽引方式采用皮帶。皮帶選型，滿足條件水平移栽按牽引100Kg，行程2418mm行駛時(shí)間為10s。設(shè)計(jì)功率Pd=KA·P計(jì)算，P=1000N×2.418m÷10s÷η=218W。根據(jù)工作工況KA查表得1.5，Pd=KA·P=1.5×218W=327W。所以，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇400W。根據(jù)Pd=327W和帶輪轉(zhuǎn)速n=300m/min查詢表格選取5M圓弧帶。根據(jù)公式計(jì)算帶寬選擇整數(shù)取20mm。

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(jì)時(shí)，除清洗分片上料位高度外，其余高度設(shè)計(jì)一致。高度的行程以最低點(diǎn)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(dòng)。提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為導(dǎo)軌滑塊和滾珠絲桿方式。移栽行程范圍內(nèi)設(shè)計(jì)零點(diǎn)、上下兩邊的極限位、中間設(shè)置加減速感應(yīng)位。

圖4 桁架機(jī)械手示意圖

機(jī)械手上安裝有RFID讀卡器，用來(lái)判定、確認(rèn)物料信息，將信息反饋顯示在LED顯示屏。治具在輸送線體的阻擋工位不能完全精確限位，配合機(jī)械手夾爪抓取到位前，首先導(dǎo)正治具位置，下降到位后，夾爪對(duì)稱(chēng)兩側(cè)安裝有2個(gè)有料檢測(cè)傳感器點(diǎn)亮?xí)r啟動(dòng)閉合、提升上料。機(jī)械夾爪由于浸泡在水里，材料采用鋁合金。夾爪抓取閉合時(shí)，有機(jī)械硬限位，防止治具變形對(duì)硅片造成二次損傷。夾爪提升橫向移栽過(guò)程防止脫離，設(shè)計(jì)凸起結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 夾爪結(jié)構(gòu)示意圖

（2）治具緩存水箱設(shè)計(jì)。治具緩存水箱放置在機(jī)械手橫移框架內(nèi)并固定。如圖6所示。緩存水箱的線體中心位置與機(jī)械手移栽中心位置重合。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(cè)、截停機(jī)構(gòu)組成。

圖6 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(jì)有進(jìn)水口和排水口方便水定時(shí)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(jì)有料感應(yīng)，感應(yīng)有料啟動(dòng)輸送。水箱內(nèi)可以緩存4個(gè)治具位置加1個(gè)放料位滿足5個(gè)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(jì)有截停機(jī)構(gòu)，當(dāng)治具到上料抓取位時(shí)，截停機(jī)構(gòu)啟動(dòng)阻斷緊跟后面的治具，防止抓取提升帶起。截停機(jī)構(gòu)為無(wú)動(dòng)力蹊蹺板機(jī)構(gòu)，進(jìn)口的治具壓起蹊蹺板后端治具無(wú)法進(jìn)入完成隔斷。原理如圖8所示。

圖7 緩存水箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 截停機(jī)構(gòu)原理示意圖

3 安裝調(diào)試和注意事項(xiàng)

安裝前，一定核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所涉及的機(jī)械手對(duì)接的所有數(shù)據(jù)，首先，用工裝調(diào)整2個(gè)清洗分片上料位使重合，放置空治具進(jìn)行校驗(yàn)。上料機(jī)械手和清洗設(shè)備初步定位后點(diǎn)動(dòng)控制機(jī)械手移栽，夾爪抓取空治具。同時(shí)，滿足2個(gè)清洗分片上料工位的抓取，記錄位置，機(jī)械接連固定。運(yùn)行自動(dòng)模式校驗(yàn)位置的正確性。再對(duì)接輸送線體和回流線體的位置。同樣，用空治具模擬夾取，記錄位置。運(yùn)行自動(dòng)模式校驗(yàn)位置的正確性。各個(gè)對(duì)接接口位置做接水盤(pán)。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)頻繁出現(xiàn)檢測(cè)物料傳感器感應(yīng)有誤，報(bào)警。原因是水漬濺在感應(yīng)器表面，產(chǎn)生誤判。措施是在傳感器處設(shè)計(jì)罩殼，用氣體吹拂表面并要求操作員定期擦拭保持其清潔。個(gè)別設(shè)備的清洗分片上料工位位置出現(xiàn)放料偏差，原因是清洗分片上料工位交換機(jī)械手采用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行累計(jì)誤差增大會(huì)丟步。措施是交換機(jī)械手運(yùn)行一定次數(shù)后，自動(dòng)回原點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一款硅片載體治具自動(dòng)上料機(jī)械手，在整體車(chē)間13條清洗線實(shí)施后，硅片脫膠和清洗前的分裝、搬運(yùn)、分配、上料環(huán)節(jié)中實(shí)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(dòng)強(qiáng)度。不同型號(hào)的硅片清洗對(duì)應(yīng)的不同清洗設(shè)備可以在生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分線混洗。清洗分片缺料前實(shí)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(dòng)化生產(chǎn)是必然趨勢(shì)。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(yùn)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，所以上述環(huán)節(jié)具有行業(yè)推廣意義。