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2021-01-15

單晶硅硅片自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)探析

摘要



針對(duì)脫膠后的硅片在進(jìn)行清洗前的分裝、搬運(yùn)、上料到清洗機(jī)設(shè)備的整個(gè)過程都需要人工作業(yè),為避免對(duì)硅片造成2次污染和損傷。為確保清洗前能順利分片整個(gè)過程都是在水質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行, 常年操作員的手浸泡損傷較大。單體硅片載體治具重量約20Kg,每隔8分鐘做次上下料動(dòng)作,勞動(dòng)強(qiáng)度較大。本文介紹了硅片在脫膠后分裝到硅片載體治具中,從輸送線系統(tǒng)自動(dòng)上料到清洗機(jī)設(shè)備,空載體治具自動(dòng)下料到治具回流輸送線體的過程。本案的實(shí)施有效地解決了上訴問題。

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題。太陽能等可再生能源越來越受到關(guān)注,隨著光伏行業(yè)自身競爭和發(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。在此過程中硅片都在水質(zhì)環(huán)境,避免硅片脫離水質(zhì)后粘接不能分離。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。通過對(duì)客戶現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境和布局調(diào)研,著手工藝過程、物流形式、節(jié)拍測算、原有設(shè)備和現(xiàn)場布局的測繪等前期工作。完成該上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、投產(chǎn)。有效解決繁重人力和環(huán)境管理工作。減少物料周轉(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。

01


設(shè) 計(jì) 思 路




設(shè)計(jì)輸入前置條件









硅片每一刀料是一個(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。


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)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(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(jì)高度統(tǒng)一,方便編程和調(diào)試。



02


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。俯視圖如圖一所示:

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。

如圖二所示:

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)械手設(shè)計(jì)









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。如圖三所示。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)時(shí)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。

圖三機(jī)械手系統(tǒng)示意圖

1.氣動(dòng)控制組件2.接線盒3.三色燈報(bào)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(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(dòng)。移載行程范圍內(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。

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(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。移載行程范圍內(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。


(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(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。

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(dòng)5.物料檢測6.截停機(jī)構(gòu)治具



03


推 廣 前 景 和 結(jié) 論










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。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,所以在上訴環(huán)節(jié)具有行業(yè)推廣意義。





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