姚明勇

（航天智造（上海）有限責任公司，上海 200233）

如今社會中資源消耗情況十分嚴重，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注，隨著光伏行業(yè)自身競爭和發(fā)展，硅片生產制造商的產能大幅度提升。很多關鍵制造環(huán)節(jié)基本上由設備完成。在硅片脫膠后的清洗工序過程中，硅片分裝、搬運、分配、上料等環(huán)節(jié)依然需要靠人力完成。在此過程中，硅片都在水質環(huán)境，避免硅片脫離水質后黏接不能分離。硅片的物流，自動上料機械手裝置便是銜接脫膠和清洗兩個工序的紐帶。通過對客戶現場應用環(huán)境和布局調研，著手工藝過程、物流形式、節(jié)拍測算、原有設備和現場布局的測繪等前期工作。完成該上料機械手的設計、安裝、調試、投產，有效解決了繁重人力和環(huán)境管理工作，減少了物料周轉和避免上料錯誤率，提升設備利用率和提高產能。該案例的實施具有推廣意義。

1 設計思路

1．1 設計輸入前置條件

硅片型號分為P型、N型、PN型。且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個載體治具進行承載。特定型號硅片需在對應清洗機設備中進行清洗。設備動作流程：上料機械手將清洗機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）輸送到清洗機臺擋停、識別。機械手到輸送位抓取，再次判定確認載體治具的硅片滿足清洗型號設定條件。上料機械手優(yōu)先放置在清洗機空置的上料位（為雙上料工位）。若清洗機上料工位有料，放置緩存料箱。整個流程確保清洗機不停機待料。

1．2 設計思路及措施

硅片載體治具和上下料機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)，為重要設計要素。硅片治具載體設計，從硅片分裝、信息記錄、輸送、機械手抓取、清洗機分片、空治具回流作為載體。設計中，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片的容量和負載。設計安裝RFID芯片記錄刀號信息，設計符合輸送截停阻擋功能接口。設計治具載體有上下料機械手夾爪抓取位置。

機械手設計，從硅片滿載治具的輸送、緩存、清洗分片位的上料、空治具回流等實現承上啟下的轉序功能。機械手設計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。機械手設計滿載治具承載力20Kg，結構穩(wěn)定、可靠。垂直提升選用帶抱閘伺服電機。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，機械手運行平穩(wěn)，無爬坡，抖動現象。橫移采用型材鋼加工安裝導軌，伺服電機帶減速機驅動，皮帶輪傳動。抓取中保證治具不變形，不能對產品造成二次損傷。在抓取過程判定確認物料信息是否滿足清洗的目標要求。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計高度統(tǒng)一，方便編程和調試。

2 機構設計

上下料機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序。如圖1所示。

圖1 上料機械手布局示意圖

2．1 硅片載體治具設計

硅片單片很薄、堅硬、脆，考慮工況水質浸泡的環(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寸硅片尺寸設計內框限位，單邊放4mm間隙。承載量為800片硅片設計治具高度和承載力，安裝板螺紋底孔內嵌螺紋鋼套。底板設計清洗分片機的定位孔，入口孔帶倒角方便引導。底板四角設計內圓弧角，用于前后治具跟進時的隔斷。左右側板設計機械手抓取前的限位導向，當機械手下降時，自動導正治具后到位抓取。斜度板設計角度符合清洗分片的角度。抓板設計同時滿足人工和機械手搬運。后板設計要挖空，方便人工放置硅片操作。后板并設計有RFID芯片安裝位。如圖2所示。

2．2 機械手設計

圖2 硅片載體治具示意圖

機械手系統(tǒng)由氣動控制組件、接線盒、三色燈報警器、LED顯示器、機架框架、機械手桁架組件、觸摸屏控制組件、保護罩殼、控制電箱、治具緩存水箱組成。如圖3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，是動態(tài)顯示設備狀態(tài)，便于維護。LED顯示器主要顯示設備的料號信息。機架框架設計滿足機械手桁架組件和治具緩存水箱的安裝和承載?？蚣苤С懈叨燃骖櫇M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。機械手桁架組件設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。觸摸屏控制組件設計有自動和手動模式，方便調試、維護、管理。保護罩殼將機械運動機構做安全防護，防止意外。治具緩存水箱設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3 機械手系統(tǒng)示意圖

（1）桁架機械手組件設計。桁架機械手由橫移移栽模組、垂直移栽模組、機械手組件、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場布局，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，采用伺服電機驅動。移栽行程范圍內設計零點、左右兩邊的極限位、中間設置加減速感應位。橫梁采用型材鋼結構，導軌安裝為T型安裝方式，安裝面貼板焊接加工保持平行度和垂直度。移栽極限位設計機械硬限位。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行駛時間為10s。設計功率Pd=KA·P計算，P=1000N×2.418m÷10s÷η=218W。根據工作工況KA查表得1.5，Pd=KA·P=1.5×218W=327W。所以，伺服驅動電機選擇400W。根據Pd=327W和帶輪轉速n=300m/min查詢表格選取5M圓弧帶。根據公式計算帶寬選擇整數取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)。設計時，除清洗分片上料位高度外，其余高度設計一致。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驅動。提升機構設計為導軌滑塊和滾珠絲桿方式。移栽行程范圍內設計零點、上下兩邊的極限位、中間設置加減速感應位。

圖4 桁架機械手示意圖

機械手上安裝有RFID讀卡器，用來判定、確認物料信息，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，配合機械手夾爪抓取到位前，首先導正治具位置，下降到位后，夾爪對稱兩側安裝有2個有料檢測傳感器點亮時啟動閉合、提升上料。機械夾爪由于浸泡在水里，材料采用鋁合金。夾爪抓取閉合時，有機械硬限位，防止治具變形對硅片造成二次損傷。夾爪提升橫向移栽過程防止脫離，設計凸起結構。結構如圖5所示。

圖5 夾爪結構示意圖

（2）治具緩存水箱設計。治具緩存水箱放置在機械手橫移框架內并固定。如圖6所示。緩存水箱的線體中心位置與機械手移栽中心位置重合。機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、截停機構組成。

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。水箱設計有進水口和排水口方便水定時更換且設有液位傳感器。水箱外有與框架固定的安裝板。水箱內安裝有輸送線體，用于輸送治具。水箱上料位設計有料感應，感應有料啟動輸送。水箱內可以緩存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，防止?jié)M料放料或疊料。輸送前端設計有截停機構，當治具到上料抓取位時，截停機構啟動阻斷緊跟后面的治具，防止抓取提升帶起。截停機構為無動力蹊蹺板機構，進口的治具壓起蹊蹺板后端治具無法進入完成隔斷。原理如圖8所示。

圖7 緩存水箱結構示意圖

圖8 截停機構原理示意圖

3 安裝調試和注意事項

安裝前，一定核對現場設備所涉及的機械手對接的所有數據，首先，用工裝調整2個清洗分片上料位使重合，放置空治具進行校驗。上料機械手和清洗設備初步定位后點動控制機械手移栽，夾爪抓取空治具。同時，滿足2個清洗分片上料工位的抓取，記錄位置，機械接連固定。運行自動模式校驗位置的正確性。再對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。運行自動模式校驗位置的正確性。各個對接接口位置做接水盤。設備運行一段時間后，會頻繁出現檢測物料傳感器感應有誤，報警。原因是水漬濺在感應器表面，產生誤判。措施是在傳感器處設計罩殼，用氣體吹拂表面并要求操作員定期擦拭保持其清潔。個別設備的清洗分片上料工位位置出現放料偏差，原因是清洗分片上料工位交換機械手采用的步進電機驅動，長時間運行累計誤差增大會丟步。措施是交換機械手運行一定次數后，自動回原點。

4 結語

本文設計的一款硅片載體治具自動上料機械手，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)，大大減輕了勞動強度。不同型號的硅片清洗對應的不同清洗設備可以在生產線中實現自動分線混洗。清洗分片缺料前實現提前預警，準備備料避免設備停機提高產能。在批量生產的光伏產業(yè)現狀下，自動化生產是必然趨勢。清洗機上下料機械手改善員工作業(yè)環(huán)境，提高產品合格率、提升生產率。在原有設備運行的基礎上，又在新上清洗機設備前加裝了20套該上料機械手，所以上述環(huán)節(jié)具有行業(yè)推廣意義。