王靜 修利強 任沁

摘 要：本課題針對清洗生產線的硅片搬運提供了機器人解決方案，工業(yè)機器人替代人工搬運方式，將整個搬運過程做成一個相對封閉的單元空間。采用機械手抓舉提升放置系統(tǒng)為全自動控制，全自動控制為人為設定好程序，設備全自動運行，實時監(jiān)測各工件位置，夾取、翻轉、碼放、排列均為自動運行，是安全生產和工藝要求的保證，避免造成人員、設備和產品的損壞，減輕勞動力勞動強度、提高生產效率。

關鍵詞：機械手；全自動控制；夾取；碼放

中圖分類號：TN305 文獻標志碼：A

0 前言

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

機器人、裝片生產線和清洗機之間通過傳感器實現(xiàn)對接，從裝片機上抓取籃筐為夾取點，放置籃筐到清洗機為放置點，而夾取點和放置點的傳感器反饋可以很好地掌握機器人和生產線的生產節(jié)拍，由于生產線上每個籃筐的裝片時間大致為25s～30s時間不固定，這種方式可以使機器人在感應到指令信號后再運動，精準掌握抓取時間，同樣放置時也會通過傳感器感應確定清洗機當前是否為待命狀態(tài)，有效地避免重復填裝和填裝位置偏移。

1 系統(tǒng)組成介紹

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

1.1 Staubli RX160L機械臂

RX160L機器人系統(tǒng)為整個晶體抓舉工藝流程的核心，依據(jù)控制系統(tǒng)和搭載夾具，實現(xiàn)整筐晶體的空間位置轉移，機械手具體參數(shù)如下：負載/kg：額定負載14kg，最大負載28kg；空間半徑/mm：2010mm；位置精度/mm：±0.05mm；防護等級：IP65 （手腕IP67）。

1.2 限位開關和驅動電機

限位開關：各軸限位開關采用日本IKO霍爾元件，質量和性能穩(wěn)定。

驅動電機：驅動電機采用伺服電機，定位準確，恒力矩輸出不會出現(xiàn)爬行和堵轉，性能可靠，每分鐘3000轉的轉速為系統(tǒng)提供了更快的生產效率。

1.3 傳動方式介紹

系統(tǒng)中各個運動軸是整臺設備的關鍵所在，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指標，以下分別從各軸的傳動方式、支撐方式、驅動方式、限位防護方式和精度保證措施等方面進行說明。

（1）傳動絲杠

三維平動臺質量和性能的關鍵在于傳動方式的選擇以及機體材質、加工和裝調質量。

本系統(tǒng)使用的傳動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鋼珠形成滾動摩擦，運動平穩(wěn)，傳動效率高，易實現(xiàn)高速運行，并且可以通過控制絲杠直徑與導程來實現(xiàn)高精度和高分辨率的要求。齒輪齒條傳動適合在大行程中使用。

（2）導軌

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

燕尾導軌的接觸面積大，摩擦力大，具有剛性高、承載大、行程長等特點，但對加工面要求較高，定位精度偏低。適用于重型機械和一般精度設計。

交叉滾柱導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動，其具有摩擦力低、剛性高、承載大、定位精度高等特點，但不能提供大的行程，適合高精度小行程的應用。

滾珠導軌通過滾珠在與軸相連的槽道中的滾動，可實現(xiàn)比使用直線軸套時更大的容許負荷，且可以在進行直線運動的同時傳遞扭矩。滾珠導軌的摩擦力小，剛性、承載、定位精度和行程方面一般，不適合高精度的要求。

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

（3）本方案傳動方式的選擇

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，所以選擇滑塊導軌，在保證了系統(tǒng)精度的同時也保證了系統(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方式是齒輪齒條，絲杠在超過1.5m行程時會產生自然彎曲，不適合大行程。Y軸和Z軸行程不超過1.5m，所以使用滾珠絲杠傳動。

2 工作原理及流程

搬運對象：整筐晶片（帶方形塑料筐200mm×200mm

×250mm），5kg，易碎。

搬運目的地：從皮帶輸送機上把已裝好的整筐晶片，通過一系列的動作搬運至水箱中并浸泡。

2.1 搬運的流程

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

（2）視覺識別：由視覺系統(tǒng)對整筐晶片的位置進行識別，將位置檢測信號反饋給控制系統(tǒng)。

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

下降（staubli機械臂下降到指定位置）；抓?。ㄓ蓹C械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；旋轉并上升（由機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（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成）；上升并旋轉（由機械臂第六軸和夾持裝置共同完成，機械手臂還原至初始位置）。

上述流程僅為一個工作流程機械手所需完成的動作，本設計要對多個晶片筐進行搬運，并碼放到水槽中相應的位置（預先已將水槽規(guī)劃設計為多個晶片筐放置點），控制系統(tǒng)多次重復上述流程，將多個晶片筐按照程序規(guī)劃自動搬運并放置在水槽中，直至水槽放滿。

（4）對整筐晶片進行浸泡。

2.2 機械手設備動作流程

（1）設備啟動，XYZRA歸零（注意靠近START，并注意防止機械干涉）。

（2）層片疊堆動作，XYZRA動作至適當位置，準備START。

Z軸下降→A軸氣夾夾緊花籃→Z軸攜帶籃筐提升至超過R軸高度→XY運動到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90°→Z軸下降→ A軸氣夾夾緊籃筐→Z軸上升→XY運動到清洗機中水槽上空相應位置→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）→Z軸上升使A軸氣夾超過R軸高度→XY軸運動到START或者附近位置進行下一次抓取循環(huán)。

結語

現(xiàn)在機械手臂系統(tǒng)技術指標如下：（1）行程范圍 空間半徑：≤2000mm；（2）載重能力：3000kg 工業(yè)型材支架： 結構主體：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； 夾持機械手與垂直軸鋼性連接；工作效率：單個晶體從抓舉、搬運到碼放至水箱，時間控制20s以內，也可以根據(jù)工藝需要進行調整。

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

參考文獻

[1]李琳.淺談現(xiàn)代地毯的應用與發(fā)展[J].輕紡工業(yè)與技術，2011（2）：10-14.

[2]楊斌，蘇劍波.仿人機器人的分布式控制系統(tǒng)設計[J].控制工程，2010（1）：28.